光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的控制策略范文

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近年來，全球經(jīng)濟高速發(fā)展，電力需求越來越大。電力生產(chǎn)所需煤炭燃料逐漸衰竭，全球變暖、廢氣排放等環(huán)境惡化關注度日益增加，電力供需矛盾日益加大。于是，人們逐漸開始嘗試利用以風能、太陽能等能源為主的分布式發(fā)電技術進行發(fā)電，將多個可再生發(fā)電單元并網(wǎng)實現(xiàn)“微網(wǎng)”結構。光伏是分布式能源中的一種重要能源形式，以光伏發(fā)電并網(wǎng)技術為核心的光伏發(fā)電技術在未來具有較大的潛力。目前，我國光伏發(fā)電并網(wǎng)技術與歐美和日本等國家差距較大。隨著技術研究的不斷深入，光伏發(fā)電并網(wǎng)在系統(tǒng)建模仿真，控制策略分析等領域取得了一定成果。該文給出了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結構和光伏電池的數(shù)學模型，采用電壓、電流雙環(huán)結構控制逆變器，通過直接擾動占空比跟蹤光伏電池的最大功率點。通過MATLAB軟件進行仿真驗證了控制策略的可行性。

1光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的結構

該文主要研究三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，采用兩級控制，其結構如圖1所示。并網(wǎng)系統(tǒng)前級采用DC/DC升壓，考慮到光伏電池發(fā)電功率的不穩(wěn)定性，因此一般采用直接擾動法進行最大功率跟蹤(MPPT);后級采用DC/AC逆變，利用設定好的功率平衡維持直流側電壓。逆變后的交流電壓進行光電隔離、濾波后，經(jīng)隔離變壓器并入電網(wǎng)。

2光伏電池的數(shù)學模型

光伏電池原理是利用半導體光伏效應將太陽能轉換為電能。根據(jù)文獻中關于光伏電池的等效模型的介紹，進行簡化、處理。假設光照1000W/m2、溫度為25℃時，根據(jù)式(1)～式(4)進行MATLAB仿真，其電流電壓波形以及功率電壓波形如圖2所示。假如光伏電池在1000W/m2和25℃的條件下，外部直接所帶負載為純阻性，當負載從小到大(0~40Ω)改變時光伏輸出功率阻抗特性如圖3所示。從圖3可知，只有當外部負載為8Ω時，光伏電池才能達到最大功率。由圖2可觀察最大功率點處的電壓與電流之比與8十分接近。這正好與最大功率輸出匹配原則相符合，也就是負載阻抗與電源輸出阻抗相等時，電源的輸出功率最大。

3并網(wǎng)變換器的控制策略

3．1MPPT控制策略目前，最大功率跟蹤控制(MPPT)方法有擾動觀察法、恒壓法、電導增量法、模糊邏輯控制等，該文采用擾動觀察法。采用BUCK－BOOST電路為光伏電池最大功率跟蹤電路，其電路結構和算法如圖4所示。當改變變換器占空比時，光伏系統(tǒng)的功率變化曲線和改變光伏系統(tǒng)工作電壓時的曲線的趨勢類似，借著這個特性，可以通過直接擾動占空比的方法完成最大功率跟蹤。利用定步長擾動占空比的方法和降壓升壓裝置在MATLAB中進行建模仿真，仿真模型如圖5所示。仿真條件:溫度為－10℃，在0～0．25s時光照為800W/m2，0．25～0．5s時光照為500W/m2。降壓升壓裝置工作在電感電流連續(xù)的模式。光伏電池側電容為0．8×10－3mF，電感為10mH，負載側電容為0．5×10－3mF，最大功率跟蹤模塊的三角波頻率為5kHz。從圖6中可以看出，采用降壓升壓裝置和擾動占空比算法的光伏系統(tǒng)能夠很好地完成最大功率跟蹤。

3．2逆變器的控制策略三相電壓型PWM逆變器采用全控型開關器件IGBT，IGBT既可以從電網(wǎng)上吸收功率使系統(tǒng)在整流狀態(tài)工作也可以向電網(wǎng)輸出功率使系統(tǒng)工作在有源逆變狀態(tài)［7］。當電網(wǎng)電壓三相平衡時，為了便于分析和功率解耦，對其進行PRAK變換，則三相電壓型光伏逆變器的數(shù)學表達式為。三相并網(wǎng)光伏逆變器控制策略采用電壓、電流雙環(huán)的結構，如圖7所示。電壓外環(huán)為逆變器直流側電壓與設定值比較得到偏差，然后利用PI調(diào)節(jié)器運算得到并網(wǎng)電流參考值。電流內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流參考值與實際值比較得出偏差進行PI運算，其結果作為逆變器調(diào)制波的信號［4］。其中eabc為大電網(wǎng)電壓，iabc為逆變器輸出電流。

4并網(wǎng)運行仿真

圖8為三相光伏并網(wǎng)運行的仿真模型，仿真參數(shù)為:交流側線電壓380V;直流側電壓600V;光伏最大功率4kW;光伏電池溫度25℃;0．5s之前光照強度為1000W/m2;0．5s后變?yōu)?00W/m2;濾波電感6mL;逆變器直流側電容2mF;直流升壓電路中電感1．5mL;最大功率跟蹤載波頻率4kHz;逆變器三角波載波頻率10kHz;電壓環(huán)比例和積分控制系數(shù)為15和200，電流環(huán)比例和積分控制系數(shù)為15和10。MATLAB仿真結果如圖9～圖11所示。圖9表明前級最大功率跟蹤良好，從圖10可以看出三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在穩(wěn)定時逆變器直流電壓能夠保持600V，當系統(tǒng)開始仿真時，由于功率不平衡，出現(xiàn)了一定的超調(diào)。當光照強度降低時，逆變器直流電壓由于按照上一時刻的電流參考值輸出導致電壓下降，但是隨著并網(wǎng)電流參考值下降后，逆變器直流電壓又開始回升至設定值。圖11表明在系統(tǒng)啟動階段，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓反相并且數(shù)值較大，這是由于逆變器直流電壓沒有達到設定值，需要充電電流，在逆變器直流電壓超出設定值后，逆變器輸出電流又大于設定值，逆變器充電電流減少，且在0．3s輸出電流穩(wěn)定，并且并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電流同頻同相。

5結論

該文建立了一個由三相兩極光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的微網(wǎng)模型，采用降壓升壓裝置和擾動占空比算法跟蹤分布式電源的最大功率，在并網(wǎng)運行時，對逆變器采用電流電壓雙環(huán)結構控制，并搭建了并網(wǎng)運行的系統(tǒng)仿真模型。實驗結果表明:該控制方法能使直流母線電壓穩(wěn)定，并網(wǎng)逆變器輸出電流相位和大電網(wǎng)電壓頻率保持一致，動態(tài)響應快，從而驗證了控制策略的正確性。

作者：吳碩 趙繼忠 單位：遼寧裝備制造職業(yè)技術學院