兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024)

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兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,太原 030024)

基于兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出一種最大功率跟蹤控制策略。該控制策略采用電導(dǎo)增量法與比例積分控制(INC-PI)相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)運(yùn)行；并網(wǎng)逆變器采用基于電網(wǎng)電壓前饋的雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流電壓及單位功率因數(shù)并網(wǎng)。利用Matlab/Simlink搭建5 kW兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)模型,分別針對(duì)光照變化及光照恒定兩種情況進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證該方法的可行性,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提MPPT策略的正確性。結(jié)果表明,該方法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤,并網(wǎng)逆變器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流電壓及單位功率因數(shù)并網(wǎng)的功能。

兩級(jí)式三相光伏;電導(dǎo)增量法;PI控制;并網(wǎng)逆變器

近年來,由于環(huán)境污染,溫室效應(yīng)等問題日益嚴(yán)重,清潔能源作為一種非常有潛力的新能源受到很大關(guān)注。光伏發(fā)電系統(tǒng)是清潔能源的典型應(yīng)用,因其可以有效減少二氧化碳排放以及化石能源的消耗已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)[1-2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)兩種結(jié)構(gòu),并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是當(dāng)前光伏研究的主要方向。按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單極式光伏發(fā)電系統(tǒng)和兩極式光伏發(fā)電系統(tǒng),單極式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但在逆變器控制中既要實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)功能又要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)功能,控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3-4],不利于調(diào)試;兩極式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用前級(jí)Boost電路后級(jí)逆變電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)MPPT和單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制分離,使得控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于模塊化實(shí)現(xiàn)。目前,大部分的兩級(jí)式并網(wǎng)研究多集中在單相并網(wǎng)[5-6],對(duì)于三相并網(wǎng)的研究還比較少[7-8]。本文基于兩極式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出將電導(dǎo)增量法與比例積分調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法(INC-PI)實(shí)現(xiàn)光伏最大功率點(diǎn)跟蹤;并網(wǎng)逆變器采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓和交流側(cè)單位功率因數(shù)并網(wǎng)的功能,并通過仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的兩極式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的正確性和可行性,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提出的MPPT的正確性。

1 兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)組成

兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列(PV array)、光伏出口電容(Cpv)、Boost升壓電路、直流母線電容(Cdc)、電壓源變換器(voltage source convert,VSC)、濾波電感、工頻變壓器以及公共電網(wǎng)組成,如圖1所示。Boost電路采用電導(dǎo)增量法與PI控制相結(jié)合的方法(INC-PI)實(shí)現(xiàn)光伏最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)和升壓功能;電壓源變換器(VSC)采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,采集直流側(cè)電壓,逆變側(cè)電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓和并網(wǎng)逆變功能,工頻變壓器抑制逆變側(cè)直流分量并實(shí)現(xiàn)升壓并網(wǎng)。

圖1 兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Double-stage three-phase grid-connected PV system topological structure

2 最大功率點(diǎn)跟蹤策略

光伏陣列的輸出電壓和電流受到光照強(qiáng)度和溫度等因素影響呈現(xiàn)非線性特征,因此,光伏陣列的輸出功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度和溫度變化而變化[7]。但是,在一定溫度和光照強(qiáng)度下,光伏陣列的輸出功率只有一個(gè)最大點(diǎn) (maximum power point，MPP).[3]

常見的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略有定電壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(P&O)[9-10]、電導(dǎo)增量法(INC)[11]和模糊控制[12]等。其中,電導(dǎo)增量法由于其控制精準(zhǔn),且不易出現(xiàn)誤判受到廣泛的研究。

圖2 光伏板P-U曲線Fig.2 P-U curve of photovoltaic panels

在一定光照強(qiáng)度和溫度下,光伏陣列只有一個(gè)MPP,且由如圖2的P-U曲線可知,在最大功率點(diǎn)處有

(1)

又

(2)

從而有

(3)

若U≠0,則

(4)

式中:P為光伏系統(tǒng)輸出功率;U為光伏出口處電壓;I為光伏出口處電流。式(4)即在最大功率點(diǎn)所滿足的電導(dǎo)增量形式條件。

圖3 MPPT控制示意圖Fig.3 Control schematic of MPPT

3 并網(wǎng)逆變器控制策略

圖4 并網(wǎng)逆變器控制示意圖Fig.4 Control schematic of grid-connected inverter

光伏并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定和交流側(cè)電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相功能,因此,采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制策略,如圖4所示。Ua，Ub，Uc分別為三相電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值,Ea，Eb，Ec分別為逆變器交流側(cè)出口電壓,Ia，Ib，Ic分別為三相電流瞬時(shí)值,Udc為直流側(cè)電壓,Vd，Vq分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電網(wǎng)電壓的有功分量和無功分量,Id，Iq分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下三相電流的有功分量和無功分量,L為交流側(cè)濾波電感。在靜止坐標(biāo)系下,根據(jù)逆變器兩側(cè)電路參數(shù)可知,

(5)

定義開關(guān)函數(shù)為:

則,逆變器交流側(cè)出口電壓

(6)

式中，Sa，Sb，Sc分別為abc三相對(duì)應(yīng)的開關(guān)函數(shù)。

采用abc/dq變換,將電網(wǎng)側(cè)的Uabc和Iabc變?yōu)閂d，Vq和Id，Iq,由交流變?yōu)橹绷?將電網(wǎng)電壓和電流分解為有功分量和無功分量。設(shè)Sd，Sq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的單級(jí)性二值邏輯開關(guān)函數(shù),Ed，Eq為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變器出口側(cè)電壓,則

(7)

逆變器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型如式(8)。

(8)

式中,ω為系統(tǒng)角頻率。從式(8)中可以看出存在耦合項(xiàng),因此為分別控制有功分量和無功分量,在電流控制環(huán)中添加解耦控制并采用電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)抑制電網(wǎng)波動(dòng)影響,如圖5所示。

經(jīng)過上述分析可知,通過Boost升壓電路得到的直流電壓進(jìn)入電壓外環(huán)控制使得電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),防止出現(xiàn)直流電壓崩潰現(xiàn)象,同時(shí)得到電流有功分量參考值。將電流無功參考值賦值為0實(shí)現(xiàn)最大有功功率傳輸及與電網(wǎng)同頻同相。電流的有功和無功偏差經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)得到調(diào)制波信號(hào)進(jìn)入SPWM單元產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

圖5 電流控制環(huán)Fig.5 Current control link

4 系統(tǒng)仿真與分析

根據(jù)上述分析,在Matlab/Simulink R2013a中搭建5 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電仿真模型,如圖6所示。環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃,光照強(qiáng)度為1 000 W/m2;Boost電路電感為7 mH,光伏出口電容為100 μF,直流側(cè)穩(wěn)壓電容為4 700 μF,直流側(cè)電壓參考值為500 V,交流側(cè)線電壓有效值為270 V,電網(wǎng)電壓為25 kV,頻率為50 Hz, 工頻變壓器濾除交流側(cè)直流分量,濾波電感為7 mH.

下面就光照恒定和光照突變兩種情況,對(duì)兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真分析。

圖6 兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)仿真圖Fig.6 Simulation chart of two-stage three-phase photovoltaic grid-connected system

4.1 光照恒定

圖7 逆變側(cè)電流和電網(wǎng)電壓波形Fig.7 Waveform of inverter current and grid voltage

圖8 逆變側(cè)電流THDFig.8 Inverter current’s THD

圖9 光伏出口側(cè)電壓、電流及輸出功率波形Fig.9 Waveform of voltage,current and power in the export of photovoltaic arrays

圖10 直流側(cè)電壓Fig.10 The DC voltage

在光照為1 000 W/m2恒定不變的情況下,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。圖7和圖8表明在光照恒定時(shí),并網(wǎng)側(cè)電流與電網(wǎng)電壓基本做到同相位,即實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng),且電流諧波畸變率小于5%,滿足并網(wǎng)要求。從圖8可以看到Boost電路控制從0.05 s開始啟動(dòng),在0.3 s內(nèi)追蹤到最大功率點(diǎn)并保持恒定，由此實(shí)現(xiàn)MPPT功能,驗(yàn)證了所提出的INC-PI控制策略的正確性和可行性。圖9表明直流側(cè)電壓只在啟動(dòng)階段Boost電路追蹤最大功率點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)有波動(dòng),當(dāng)已經(jīng)達(dá)到最大功率傳輸后,直流側(cè)電壓能夠保持恒定如圖10所示,證明并網(wǎng)逆變器能夠穩(wěn)定直流側(cè)電壓。

4.2 光照變化

如圖11所示,光照輻射強(qiáng)度在0.5 s時(shí)從1 000 W/m2突變到500 W/m2;1.5 s時(shí)從500 W/m2突變到1 000 W/m2.逆變側(cè)的電壓電流、直流側(cè)電壓變化如圖12,圖13所示。

圖11 光照強(qiáng)度Fig.11 Radianc intensity

圖12 逆變側(cè)電流和電網(wǎng)電壓波形Fig.12 Waveform of voltage and current of inverter

圖13 直流側(cè)電壓Fig.13 The DC voltage

從圖12，13可看出,在光照強(qiáng)度突變時(shí),導(dǎo)致傳輸功率發(fā)生變化,從而逆變側(cè)電流發(fā)生變化,直流側(cè)電壓在突變時(shí)產(chǎn)生波動(dòng),經(jīng)過0.2 s時(shí)間后系統(tǒng)穩(wěn)定維持直流母線電壓恒定。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的MPPT控制策略的正確性,搭建光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。光伏電源采用美國(guó)安捷倫E4360A光伏陣列模擬器,主電路拓?fù)淙鐖D1所示,控制器采用dSPACE-DS1006，采用開關(guān)頻率為10 kHz,電感為7 mH,電路電容都為470 μF,電阻為10.2 Ω.太陽光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,溫度為25 ℃.實(shí)驗(yàn)采用不同光伏組件參數(shù)驗(yàn)證所提出的MPPT策略的正確性,其中,Um表示最佳工作電壓,Im表示最佳工作電流,Uoc表示開路電壓,Isc表示短路電流。

實(shí)驗(yàn)條件1:Um=21 V,Im=5 A,Uoc=25.6 V,Isc=5.48 A.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。VOL代表光伏出口電壓Upv,CUR代表光伏出口電流Ipv,POW代表光伏輸出功率Ppv,由于光伏出口處接有保護(hù)二極管,因此,在二極管上會(huì)產(chǎn)生0.7 V的電壓,Upv在20 V左右波動(dòng),Ipv在5 A左右波動(dòng),Ppv為通過示波器計(jì)算得到的輸出功率值,可以看出此控制策略可以達(dá)到最大功率點(diǎn)。

圖14 實(shí)驗(yàn)1波形Fig.14 Waveforms of experiment 1

實(shí)驗(yàn)條件2:Um=29.5 V,Im=7.97 A,Uoc=37 V,Isc=8.54 A .

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。光伏出口電壓Upv在28.5 V左右波動(dòng),光伏出口電流Ipv在7.97 A左右波動(dòng),輸出功率Ppv通過示波器計(jì)算得到實(shí)際值。通過實(shí)驗(yàn)可以看出光伏系統(tǒng)利用所提出的MPPT策略在實(shí)驗(yàn)條件2時(shí)也能夠追蹤到最大功率點(diǎn),從而,驗(yàn)證所提出的MPPT控制策略在不同條件下都可以追蹤到最大功率點(diǎn)。

圖15 實(shí)驗(yàn)2波形Fig.15 Waveforms of experiment 2

6 結(jié)論

在電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上提出電導(dǎo)增量法與比例積分控制(INC-PI)相結(jié)合的控制策略,利用PI控制的無靜差調(diào)節(jié)特性實(shí)現(xiàn)MPPT,并將其應(yīng)用于三相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,通過建立5 kW兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型,驗(yàn)證在光照穩(wěn)定和光照突變兩種條件下INC-PI的MPPT控制的穩(wěn)定性和可靠性及光伏并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在不同光伏組件參數(shù)條件下,MPPT控制策略的正確性。

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(編輯：劉笑達(dá))

Analysis of Double-stage Three-phase Photovoltaic Grid-connected System

FU Xue,QIN Wenping,LI Guanliang

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

A kind of control strategy based on double-stage three-phase grid-connected PV system topology is proposed to optimize the maximum power point tracking.The control strategy combines incremental conductance method with proportional-integral controller (INC-PI) to enhance the stability of system.The grid-connected inverter adopes double loop control strategy based on feedforward of grid voltage to stabilize DC voltage and realize unity power factor.A simulation model of 5 kW two-stage three-phase photovoltaic grid connected system is established in Matlab/Simulink environment and analyzed in the cases of illumination variation and constant light to verify the feasibility of the method. The correctness of proposed MPPT strategy is verified by experiment. The results show that this method can achieve the maximum power point tracking accurately, and inverter can stabilize DC voltage and realize unity power factor.

double-stage three-phase;incremental conductance;proportional-integral controller;grid-connected inverter

1007-9432(2016)03-0361-06

2015-10-24

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目:大規(guī)模間歇式新能源并網(wǎng)技術(shù)開發(fā)(MD2014-06); 山西省留學(xué)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助項(xiàng)目

付雪(1990-),男,河北趙縣人，碩士研究生,主要從事新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)研究，(E-mail)kaxikou1990@163.com

秦文萍，教授，主要從事新能源研究，(E-mail)qinwenping@tyut.edu.cn

TM464,TM615,TM914

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.016