東北農(nóng)村戶用型光伏系統(tǒng)控制策略

張永超

（貴州電網(wǎng)公司六盤水供電局，貴州　六盤水　553000）

東北農(nóng)村戶用型光伏系統(tǒng)控制策略

張永超

（貴州電網(wǎng)公司六盤水供電局，貴州六盤水553000）

東北農(nóng)村地區(qū)冬天采暖消耗能源較大，為節(jié)能減排，設(shè)計一種光伏發(fā)電加熱策略。該策略利用太陽能供電給遠(yuǎn)紅外加熱裝置來滿足農(nóng)戶的供暖要求，采用擾動占空比的方法控制降壓升壓變換裝置，根據(jù)光照和溫度的變化完成最大功率跟蹤。在用戶不需要光伏加熱的季節(jié)，結(jié)合無差拍并網(wǎng)逆變器將盡可能多的太陽能以單位功率因數(shù)的方式并網(wǎng)。最后利用仿真驗證了控制策略的正確性和可行性。

遠(yuǎn)紅外加熱裝置；最大功率跟蹤；降壓升壓變換；無差拍并網(wǎng)

0　引言

中國東北地區(qū)由于地理位置的緣故，其采暖時間比較長，所以采暖消耗的電量或者煤等資源比較大，相比于城鎮(zhèn)高效的集體供暖方式，農(nóng)村地區(qū)單家單戶供暖有成本高的問題。在農(nóng)村地區(qū)可利用光伏發(fā)電來降低供暖耗的成本。在不需要供暖的季節(jié)，將太陽能所發(fā)電能并網(wǎng)，增加收入［1-2］。

給出光伏電池的模型，然后根據(jù)遠(yuǎn)紅外加熱裝置的負(fù)載特性和太陽能最大功率跟蹤的要求，在單獨給遠(yuǎn)紅外加熱裝置供電的模式下，提出使用降壓升壓變換電路以及擾動占空比的算法完成對該負(fù)載的供電［3-4］。在并網(wǎng)模式下，利用升壓變換電路滿足逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定和最大功率跟蹤的要求，逆變器交流側(cè)采用無差拍控制方法完成光伏發(fā)電并網(wǎng)。通過MATLAB仿真驗證了提出策略的正確性和可行性。

1　光伏電池數(shù)學(xué)模型及輸出特性

光伏電池利用光生伏特效應(yīng)來產(chǎn)生電能，工程上普遍采用硅光伏電池來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。采用文獻(xiàn)［5-6］中光伏電池的等效模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：I為太陽能電池輸出電流；V為太陽能輸出電壓；Voc為開路電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強(qiáng)度；Gref、Tref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值 （25℃）；Vm、Im為最大功率點電壓、電流；Tc為光伏電池當(dāng)前溫度值；α為光伏電池短路的電流溫度系數(shù)；β為光伏電池開路電壓的電壓溫度系數(shù)［3］。設(shè)Vm、Im、Voc、Isc分別為35.2 V、4.95 A、44.2 V、5.2 A。假設(shè)光照1 000 W/m2、溫度為25℃時，仿真電流（I）—電壓（U）波形以及功率（P）—電壓（U）波形如圖1所示。

圖1　電流電壓和功率電壓波形

假如光伏電池在光照為1 000 W/m2和溫度為25℃的條件下，外部直接所帶負(fù)載為純阻性，當(dāng)負(fù)載（R）從小到大（0～40 Ω）改變時，光伏輸出功率（P）的特性如圖2所示。

圖2　功率阻抗特性

圖2中顯示只有當(dāng)負(fù)載為8 Ω時，光伏電池才能達(dá)到最大功率。又由圖1可觀察最大功率點處的電壓與電流之比約為8 Ω。這正好與最大功率輸出匹配原則相符合，即負(fù)載阻抗與電源輸出阻抗相等時，電源的輸出功率最大。文獻(xiàn)［7-8］提到，開關(guān)型變換型負(fù)載與純阻性型負(fù)載的輸出特性基本一致。

2　遠(yuǎn)紅外加熱裝置

紅外線又稱紅外輻射，通常把波長為3～1 000 μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。許多被加熱的高分子、有機(jī)物等材料對3～25 μm范圍的波有較強(qiáng)的吸納能力。遠(yuǎn)紅外加熱裝置就是利用遠(yuǎn)紅外的上述特性來完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換，此外遠(yuǎn)紅外加熱裝置還結(jié)合紅外涂料來增加其轉(zhuǎn)換的效率，達(dá)到節(jié)能的效果。通常遠(yuǎn)紅外的電路模型為純電阻，本方案擬采用市場常見的3 kW的遠(yuǎn)紅外加熱裝置，其額定工作電壓為交流220 V。根據(jù)純電阻的功率計算公式，可以推出其阻值為16.13 Ω。當(dāng)發(fā)熱軟板在70℃以下時，其阻值變化很小，而遠(yuǎn)紅外發(fā)熱軟板的工作溫度不超過70℃。

3　最大功率跟蹤

光伏系統(tǒng)的負(fù)載為遠(yuǎn)紅外加熱裝置，為純電阻性負(fù)載。光伏電池組的負(fù)載為純電阻時，光伏電池組的輸出電阻和外部負(fù)載相等時，才能發(fā)出最大功率。如果光伏電池組與遠(yuǎn)紅外加熱裝置直接相連，并不能在大多數(shù)情況下充分利用太陽能，所以在光照和溫度改變的情況下，需要借助DC/DC變換裝置完成最大功率跟蹤。下面分別討論定值電阻與升壓（boost）變換裝置、降壓（buck）變換裝置以及降壓升壓（buck-boost）裝置結(jié)合后的等效電阻。這里統(tǒng)一認(rèn)為輸入電源的電壓為Vi，輸入電源的輸出電流為Ii，負(fù)載上的電壓為Vo，負(fù)載流過的電流為Io，開關(guān)管占空比為D，負(fù)載為純電阻R，電源的輸出電阻為Rs。圖3為3種變換裝置的電路圖。

圖3　DC/DC變換電路

3.1定值電阻與升壓變換裝置

升壓變換裝置通過改變開關(guān)管一個周期內(nèi)導(dǎo)通與關(guān)斷的時間來完成升壓的大小。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電感蓄能，負(fù)載主要由電容供電。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感電壓與電源電壓之和加在電容上，一起給負(fù)載供電。如果電感電流連續(xù)的情況下，且電感和電容消耗能量很小，則由上述工作模式可以推導(dǎo)出：

3.2定值電阻與降壓變換裝置

降壓變換裝置也是通過改變開關(guān)管占空比的大小來改變降壓的大小。同樣在電感電流連續(xù)的情況下，電感和電容消耗的能量很小，可以推導(dǎo)出：

3.3定值電阻與降壓升壓變換裝置

同上述兩種變換裝置的分析一樣，可得［7］：

綜上，在任何光照和溫度的情況下，理論最大功率點時，太陽能電池板的輸出電阻都小于或等于純電阻負(fù)載的阻值時，可以利用升壓變換裝置結(jié)合擾動占空比的方法，完成最大功率跟蹤。在任何光照和溫度的情況下，理論最大功率點時，太陽能電池板的輸出電阻都大于或等于于純電阻的阻值時，可以利用降壓變換裝置結(jié)合擾動占空比的方法，完成最大功率跟蹤。當(dāng)在一些光照和溫度的條件下，理論最大功率點時，太陽能電池板的輸出電阻大于或等于純電阻的阻值，而在另外一些光照和溫度的條件下，理論最大功率點時，太陽能電池板的輸出阻抗又小于或等于純電阻的阻值時，可以利用降壓升壓變換裝置，結(jié)合擾動占空比的方法，完成最大功率跟蹤。

光伏電池板采用先串后并、7串2并的方式運行。采用的電池板參數(shù)如表1所示（溫度25℃，光照1 000 W/m2）。圖4為當(dāng)溫度為-15℃，光照分別是1 000 W/m2和500 W/m2時，功率隨外部電阻變化的曲線。

表1　光伏電池參數(shù)

圖4　光伏電池板輸出功率特性

由圖4可知當(dāng)光照在1 000 W/m2時，理論最大功率點的輸出電阻（13 Ω）小于遠(yuǎn)紅外加熱裝置的電阻（16.2 Ω），而當(dāng)光照為500 W/m2時，理論最大功率點的輸出電阻 （26 Ω）大于遠(yuǎn)紅外加熱裝置（16.2 Ω）。所以需借助降壓升壓裝置，來完成最大功率跟蹤。

圖5　利用定步長擾動占空比的方法

圖5為利用定步長擾動占空比的方法［5］，降壓升壓裝置和擾動占空比算法以及仿真結(jié)果。仿真條件：溫度為-15℃，在0～0.25 s時，光照為800 W/m2，0.25～0.5 s光照為500 W/m2。

4　并網(wǎng)運行策略

在戶用小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，直流電壓通常較低，若采用單級式光伏并網(wǎng)，需要在逆變器輸出側(cè)添加工頻變壓器。當(dāng)采用兩級式光伏并網(wǎng)時，需要光伏電池配合直流升壓裝置，再進(jìn)行逆變，可以省去工頻變壓器。兩級式光伏并網(wǎng)又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤模式，當(dāng)采用后級最大功率跟蹤模式時，在不同的運行階段，前后級需要改變調(diào)節(jié)速度來滿足控制要求，增加了整個系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。采用前級最大功率跟蹤模式時，DC/DC環(huán)節(jié)只需要進(jìn)行太陽能電池的最大功率跟蹤，充分利用太陽能，而DC/AC逆變器利用功率平衡來維持直流側(cè)電壓，雖然為了避免能量堆積，要求DC/AC的調(diào)節(jié)速度高于前級DC/DC，但更容易實現(xiàn)［6］。單相逆變器并網(wǎng)的控制中有電流滯環(huán)比較方式、電流定時比較方式、三角波比較方式、無差拍控制等。采用兩級式單相光伏并網(wǎng)中的前級最大功率跟蹤方式，前級通過擾動占空比的方法完成最大功率跟蹤，后級采用無差拍并網(wǎng)控制。

4.1DC/DC擾動占空比最大功率跟蹤

逆變器直流側(cè)電壓通常為交流側(cè)峰值的1～1.5倍，而采用的電池串聯(lián)電壓小于逆變器直流側(cè)電壓，所以需要采用升壓電路完成最大功率跟蹤。根據(jù)升壓變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知只要占空比D改變，光伏電池輸出的功率就會改變。與傳統(tǒng)爬山法原理相同，通過一個小的擾動步長來比較擾動前后的功率大小，來判斷擾動的方向，實現(xiàn)控制占空比D的大小來完成最大功率跟蹤。其電路結(jié)構(gòu)圖和擾動占空比的算法如圖6所示。

圖6　升壓電路和擾動占空比算法

4.2DC/AC逆變器

無差拍控制通過采集控制量進(jìn)行提前一拍預(yù)測，計算出開關(guān)器件的占空比來控制其導(dǎo)通的時間，從而使逆變器輸出的電流更加接近正弦。L型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　單相逆變器結(jié)構(gòu)

由圖7可知：

如果在一個開關(guān)周期內(nèi)，驅(qū)動信號的占空比為D，則可以得到：

將式（14）離散化并變形后得（設(shè)T為開關(guān)期間的采樣周期）：

使iref（k）=i（k），也就是“差一拍”控制，得出：

通過式（17）計算的占空比大小就可以控制逆變器開關(guān)的導(dǎo)通時間，使電流達(dá)到并網(wǎng)的要求［8］。

4.3前后兩級組合后的控制策略

逆變器的開關(guān)器件通常采用IGBT和二極管組合的形式，這樣可以保證功率的雙向流動。將逆變器直流側(cè)電壓大小的變化作為逆變器交流輸出電流大小的指令值，為了更好地維持直流側(cè)電壓的平衡，將直流側(cè)實際電壓與設(shè)定值做差后通過PI調(diào)節(jié)器，再作為交流輸出電流的指令值。利用交流輸出電流指令值，配合無差拍并網(wǎng)方法，可以得出逆變器的導(dǎo)通信號。

搭建仿真模型如圖8所示，仿真參數(shù)取直流母線電壓400V，交流側(cè)電壓有效值220V/50Hz，光伏電池溫度25℃，0.4 s時光照從800 W/m2變化到500 W/m2。圖9為逆變器直流側(cè)電壓波形。圖10為光伏輸出功率波形圖。圖11為逆變器交流側(cè)電壓和電流波形。

圖8　仿真模型

圖9　逆變器直流母線電壓

圖10　光伏輸出功率波形

圖9中可以看出，在光照發(fā)生變化后并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)依然能夠維持在400 V左右保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，圖10中顯示光照變化前后均能保證最大功率跟蹤，圖11中逆變器并網(wǎng)電流在光伏功率發(fā)生變化的情況下，能夠快速地將最大電能轉(zhuǎn)換并網(wǎng)，且滿目前并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中功率因數(shù)需接近1的要求。

實際情況下，根據(jù)不同的季節(jié)分別采用提出的兩種策略就能很好地解決光伏供電給遠(yuǎn)紅外發(fā)熱取暖和并網(wǎng)發(fā)電的問題。

圖11　逆變器交流側(cè)電壓和電流波形

5　結(jié)語

根據(jù)東北農(nóng)村地區(qū)取暖的需求，提出了一種利用光伏電池結(jié)合遠(yuǎn)紅外加熱裝置冬季供暖以及無須供暖時將光伏電池電能無差拍并網(wǎng)的方案。先分析了光伏電池輸出特性和遠(yuǎn)紅外裝置的負(fù)載特性后，提出光伏電池可以結(jié)合降壓升壓裝置給遠(yuǎn)紅外裝置供電，來滿足任何條件下光伏最大功率跟蹤的需求。當(dāng)并網(wǎng)運行時，采用兩級式并網(wǎng)，光伏電池采用升壓裝置來滿足最大功率跟蹤，逆變器采用無差拍控制滿足并網(wǎng)電流和直流側(cè)電壓恒定的要求。仿真結(jié)果驗證了提出方案的可行性和正確性。

［1］張希良，陳榮，何建坤.戶用可再生能源發(fā)電系統(tǒng)成本效益研究［J］.可再生能源，2005（1）：12-15.

［2］趙新剛，劉曉萌，蘭貝.可再生能源配額制對優(yōu)化我國電源結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.可再生能源，2013（4）：1-5.

［3］任航，葉林.太陽能電池的仿真模型設(shè)計和輸出特性研究［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29（10）：112-115.

［4］禹華君，潘俊民.光伏電池的輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析［J］.計算機(jī)仿真，2005，22（6）：248-252.

［5］蔡曉峰，張鴻博.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的占空比擾動法仿真研究［J］.華電技術(shù)，2009，31（9）：19-24.

［6］劉飛.三相并網(wǎng)光伏發(fā)電運行控制策略［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2008.

［7］吳為民，何遠(yuǎn)彬，耿攀.直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（1）：24-27.

［8］路小俊，楊雷雷，吳在軍.基于無差拍控制的兩級式單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的研究［J］.低壓電器，2012（11）：18-22.

Control Strategy of Photovoltaic System in the Northeast Rural Household

ZHANG Yongchao
（Liupanshui Power Supply Bureau，Guizhou Power Grid Corporation，Liupanshui 553000，China）

The consumption of energy for heating is huge in northeast rural areas in winter.A photovoltaic heating strategy is proposed for energy conservation.The strategy uses solar energy and far infrared heating device to satisfy the requirement of farmer household heating.It controls the buck-booster transform device by means of perturbation duty ratio method to achieve maximum power point tracking according to the change of light and temperature.In other seasons，solar power is transmitted to grid with unit power factor by means of dead beat grid-connected inverter.Finally the validity and feasibility of proposed control strategy are verified by simulation results.

far infrared heating device；maximum power point tracking；boost-buck transform；dead beat grid-connected

TM615

B

1007-9904（2016）01-0054-05

2015-08-29

張永超（1988），男，從事配網(wǎng)運行工作。