光伏發(fā)電的微電網(wǎng)控制策略范文

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太陽能因其在自然界的廣泛存在及取之不盡、用之不竭的特點成為最理想的新能源之一。同時，研究表明，汽車一天中有96%的時間處于停止狀態(tài)，電動汽車的保有量也在不斷增加。因此分布式光伏發(fā)電和電動汽車入網(wǎng)將成為未來智能微電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。微電網(wǎng)包含的微源種類繁多，數(shù)量也越來越大［2］。但光伏發(fā)電受環(huán)境影響大，不同的溫度和光照輻射的變化都會使其輸出特性發(fā)生變化。電動汽車既可作為微源(V2G)也可作為負荷(充電)，因此，研究光伏發(fā)電和電動汽車的并聯(lián)控制，顯得尤為重要。

1含電動汽車及光伏發(fā)電的多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)

圖1為含電動汽車及光伏發(fā)電的多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。電動汽車動力電池的控制系統(tǒng)主要包括電池側(cè)變換器、電網(wǎng)側(cè)變換器、LCL濾波器和充放電控制器等。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏陣列、Boost升壓變換器、DC/AC變換器、LCL濾波器和MPPT控制器。圖1中，光伏電池及電動汽車等微源構(gòu)成相對穩(wěn)定的直流側(cè)電壓Udc;PLL(鎖相環(huán))電路保證逆變器接入公共點時與微電網(wǎng)電壓初始相位保持同步。

2光伏發(fā)電逆變器控制系統(tǒng)

2．1光伏電池數(shù)學模型以硅光伏電池為例，它屬于半導(dǎo)體光電器件，以光生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池的等效電路如圖2所示。

2．2最大功率點跟蹤MPPT算法由圖1可知，前級的Boost升壓斬波用MPPT控制。因光伏電池在并網(wǎng)的過程中，輸出特性受光照強度和電池溫度影響。為提高光伏發(fā)電的效率，需控制光伏電池在不同條件下輸出可以達到的最大功率，即最大功率點跟蹤MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制。圖3為經(jīng)PSCAD建模仿真得到的不同溫度和不同光照強度下的U－I和U－P曲線。由圖3中U－I曲線可知，當光伏電池電壓較小時，光伏電池近似為一恒流源;當電池電壓處于短路電壓附近時，其可近似為一恒壓源。由U－P曲線可知，輸出功率存在一極大值，可通過改變Boost變換器的占空比來改變輸出功率。工程中實現(xiàn)MPPT常用的方法有擾動觀測法和電導(dǎo)增量法［6］。這里采用電導(dǎo)增量法。

2．3光伏電池DC/AC變換器控制光伏電池DC/AC變換器控制框圖如圖4所示。圖4中，RMS為電網(wǎng)電壓uo2有效值測量模塊;Pout為光伏電池輸出功率。將直流電壓給定Uref2與前級反饋電壓Udc2比較后送入PI控制器，加入功率前饋環(huán)節(jié)部分，其輸出為一直流電流指令信號。乘以由鎖相環(huán)得到網(wǎng)側(cè)電壓的相位和頻率信號，便可得一交流指令電流。功率前饋部分使得電流環(huán)的直流給定含有光伏電池輸出功率信息，可提高系統(tǒng)對功率變化的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。采用準PR控制器，因其比PI控制器消除零穩(wěn)態(tài)誤差效果更好，增強了指令信號跟蹤能力，并可提高電網(wǎng)電壓抗干擾的能力。

3電動汽車逆變器控制系統(tǒng)

3．1魯棒下垂控制含電動汽車和光伏發(fā)電等微電源構(gòu)成的微電網(wǎng)實質(zhì)上是多逆變電源的并聯(lián)系統(tǒng)，可以通過模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機的下垂特性，實現(xiàn)逆變電源并聯(lián)系統(tǒng)的無互聯(lián)線并聯(lián)控制，即下垂控制。下垂控制主要包括輸出濾波器、功率控制器和電壓電流雙環(huán)控制器3部分。功率控制器用于實現(xiàn)有功/頻率(電壓)以及無功/電壓(頻率)的對應(yīng)控制。電動汽車的逆變器控制系統(tǒng)采用圖5所示的魯棒下垂控制。圖5中，uo1為逆變器輸出電壓(V);io1為逆變器輸出電流(A);ω*為空載角頻率參考值(rad/s);E*為空載輸出電壓幅值參考值(V)。根據(jù)輸出阻抗類型的不同下垂控制策略具有不同的形式。在此，采用Q－ω和P－E下垂控制，也就是逆變器輸出阻抗呈阻性的情況。因在低壓微網(wǎng)中，線路阻抗主要呈阻性，因此很容易地擴展到Q－E和P－ω下垂控制。

3．2電壓電流雙閉環(huán)控制為改善電壓輸出波形質(zhì)量和增強系統(tǒng)動態(tài)性能，還需設(shè)計電壓電流控制環(huán)。電壓外環(huán)采用PI控制器，電流內(nèi)環(huán)采用預(yù)測電流無差拍控制。電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3．3電動汽車充電狀態(tài)控制前面討論了電動汽車處于并網(wǎng)狀態(tài)的控制，電動汽車因其特殊性，不僅要作為微源參與調(diào)度，還要作為負荷進行充電。電動汽車在充電初期，充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電，一般鋰電池大多選用標準充電速率。恒流充電時，電池電壓將緩慢上升，一旦電池電壓達到所設(shè)定的終止電壓，恒流充電終止，進入恒壓充電過程。為了實現(xiàn)恒流和恒壓兩種充電模式，只需將所要實現(xiàn)恒定輸出的量采樣后與給定值比較，得到的差值再與三角波比較產(chǎn)生所需的占空比來控制開關(guān)通斷。為了實現(xiàn)對逆變器整流后的電壓進行Buck降壓斬波，需將電池側(cè)變換器的上橋臂作為主開關(guān)管。電網(wǎng)側(cè)變換器的控制原理如圖7所示［11］，其分析方法與光伏電池DC/AC變換器控制類似。

4實驗仿真研究

利用PSCAD軟件搭建了一臺光伏電池逆變器和一臺電動汽車逆變器的并聯(lián)控制模型，驗證所研究控制策略的有效性。兩逆變器濾波器參數(shù)一致。光伏電池和電動汽車并網(wǎng)仿真參數(shù)如表1、表2所示。當電動汽車并網(wǎng)和光伏電池并網(wǎng)時，并聯(lián)逆變器仿真波形如圖8所示。當電動汽車處于充電狀態(tài)時，光伏電池參數(shù)不變。電動汽車仿真參數(shù)如表3所示，仿真波形如圖9所示。光伏電池模型在不同光照強度和溫度下的仿真波形圖3中已給出。由圖8a可看出，MPPT控制實現(xiàn)了對最大功率點的跟蹤，最大功率近似在2kW左右。而由圖8b、8c可知控制策略有效地實現(xiàn)了光伏電池和電動汽車動力電池并聯(lián)系統(tǒng)的控制，輸出電壓和電流波形比較好。從圖9可知，當電動汽車處于充電狀態(tài)下時，送往電池的電壓電流基本能保持恒定。

5結(jié)語

在微電網(wǎng)中，包含電動汽車、儲能、風力、光伏等多種微源，而且數(shù)量越來越多。該文對光伏電池和電動汽車動力電池入網(wǎng)的多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進行了仿真研究。通過PSCAD仿真軟件自定義元件及FORTRAN語言編程建立了光伏電池的模型、MPPT算法模塊。同時對DC/DC、DC/AC變換器、LCL濾波器及各控制模塊進行建模;由于電動汽車既可作為微源又可作為負荷，因此對電動汽車充電狀態(tài)下的逆變器控制也進行研究。通過仿真驗證了光伏電池及電動汽車并聯(lián)系統(tǒng)控制方法的可行性。

作者：張明光 周君 單位：蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院