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        基于改進雙閉環(huán)控制的光伏并網系統(tǒng)研究

        2012-08-16 08:03:20程宏波
        華東交通大學學報 2012年5期
        關鍵詞:線電壓傳遞函數直流

        陳 誠,王 勛,程宏波

        (華東交通大學電氣與電子學院,江西南昌330013)

        光伏發(fā)電技術迅速發(fā)展,其中并網發(fā)電技術更受到關注[1-5]。光伏并網發(fā)電系統(tǒng)普遍采用兩級式結構,從而可以分級控制[6],光伏組件將太陽能轉換為不穩(wěn)定的電能后[7-9],經直流變直流(DC/DC)得到較穩(wěn)定的直流電,再逆變?yōu)榻涣麟娗也⒕W向負載供電。在實際應用中,往往存在光照強度很強時,直流側輸出功率大于逆變側設計時設定的并網最大功率[10],由于逆變電路功率被限制在設計功率上,此時若直流側繼續(xù)做最大功率跟蹤,這必然導致直流母線上的電壓升高,直至電容或者開關器件損壞,導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定,這樣不僅造成經濟的損失,還嚴重影響人生安全[11]。

        針對上述現象,文獻[12]通過設計變步長的最大功率跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)控制算法來控制母線電壓,但是并未考慮逆變側的設計功率不容許逆變側輸出功率過大。文獻[13]提出增大直流母線電容,但這造成控制系統(tǒng)響應慢,且系統(tǒng)體積大,降低了系統(tǒng)的功率密度,成本昂貴,效果不佳。文獻[14]始終控制直流側輸出功率等于逆變側的輸入功率,來限制母線電壓波動,但控制復雜,且這樣增加了逆變器件選型的要求,實現難度大。為了提高系統(tǒng)的功率密度和光伏電池能量的利用率,本文提出一種新型的光伏并網系統(tǒng)控制方案,詳細分析了它的控制設計方法,并進行了仿真驗證。

        1 系統(tǒng)結構及新控制策略

        系統(tǒng)采用現今商業(yè)上使用最多的也是最常見的前級Boost升壓、后級全橋逆變結構[15-16],選取型號為SW-10S的光伏電池串并聯為光伏陣列[17]。MPPT控制采用擾動觀察法,它實現簡單,并且能夠實時控制[18-19]。Boost升壓電路和全橋逆變電路均采用了平均電流控制方法[20-21]。

        本文在直流側設計了一種三環(huán)控制,即基于Boost電路原本的電壓外環(huán)電流內環(huán)的控制結構,再加入一級Boost輸出電壓的PI環(huán),以控制電壓外環(huán)輸出。在輸入電壓外環(huán)正常工作時,Boost輸入功率小于系統(tǒng)設計的最大功率,直流母線電壓被逆變電路的電壓外環(huán)穩(wěn)定,直流母線電壓保護環(huán)由于基準一直不等于反饋,導致飽和輸出在限幅狀態(tài),在控制分析中可以不考慮,此時只有電壓外環(huán)和電流內環(huán)來控制;當光照強度增強致使光伏組件最大輸出功率大于設計的最大功率,逆變側電壓環(huán)飽和,逆變功率由于電流基準限幅而被限制,多出的功率加在電容上,電容電壓升高,當大于設定的保護電壓時,直流母線電壓保護環(huán)開始作用,Boost電壓外環(huán)飽和輸出在限幅狀態(tài),輸入的Boost電流基準只由直流保護環(huán)的輸出決定,這樣就保證了輸出不超過最大功率,直流母線電壓不超過設定值。

        2 控制系統(tǒng)設計

        由于設計需要,列出標態(tài)下(溫度25℃,光照1 000 W·m-2),系統(tǒng)參數設置如表1所示。

        表1 系統(tǒng)參數設置Tab.1 System parameters

        整個控制系統(tǒng)分為Boost三環(huán)控制和逆變電路雙環(huán)控制,本文先重點分析Boost三環(huán)控制設計,再簡要說明逆變電路控制設計。

        圖1 Boost三環(huán)控制結構圖Fig.1 The structure chart of Boost three-loop control

        2.1 前饋設計

        加入前饋環(huán)節(jié)屬于一種復合控制方案,從抑制擾動的角度看,前饋控制可以很大地減輕反饋控制的負擔,易于系統(tǒng)的穩(wěn)定。當控制環(huán)節(jié)采用典型一階系統(tǒng)時,雖然使系統(tǒng)具有很好的跟隨性,但系統(tǒng)受干擾時,需要很長的時間才能使系統(tǒng)穩(wěn)定;如采用典型二階系統(tǒng),雖能增強系統(tǒng)的抗干擾性能,但降低了其跟隨性能。因此考慮在典型一階系統(tǒng)中加入前饋設計,就可以保證系統(tǒng)的跟隨性和抗干擾性能。

        本文采用了靜態(tài)前饋補償的方式來簡化系統(tǒng)的控制設計,設電壓前饋系數,剛好可以抑制電壓的擾動。從補償的原理來看,前饋補償不會改變反饋控制的系統(tǒng)的特性,所以在分析電流環(huán)和電壓環(huán)時,可以不考慮前饋的影響[23-24]。

        2.2 Boost電流內環(huán)的控制設計

        由圖2可以寫出Boost電流內環(huán)的開環(huán)傳遞函數Goi(s):

        根據Boost電路小信號模型,考慮到MPPT相對電壓環(huán)很慢,得到電感電流iL與占空比d之間的傳遞函數Gid(s )[20-22]:

        為了提高電流環(huán)的低頻增益和高頻抑制,加快電流內環(huán)跟蹤速度和減小穩(wěn)態(tài)誤差,需增加補償環(huán)節(jié),傳遞函數Gci(s)如下,其中Kip為電流環(huán)補償環(huán)節(jié)比例調節(jié)增益,τi為積分時間常數。

        由于電流采樣要實時跟蹤電流,需采樣到開關量,所以電流采樣的截止頻率就定義在開關頻率,通過合并兩個小時間常數,得電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數Goi(s):

        考慮電流環(huán)的快速跟隨性能,采用典型一階系統(tǒng)進行參數設定,要求PI的零點和Gid(s)的極點相抵消且系統(tǒng)阻尼比為 0.707[23-25],可得。將各參數結果帶入式(4),得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數Goi()s:

        現代項目管理模式中贈添了范圍管理和項目集中管理兩塊管理領域?,F代項目管理同時針對于項目管理的風險和不確定因素,傳統(tǒng)項目管理模式更多地對項目工期重視,各個項目沒有集成、范圍和風險進行專項管理。導致傳統(tǒng)項目在管理中各部門缺乏聯系對問題處理上沒有針對性,這也是傳統(tǒng)項目管理模式效用難以提高的關鍵原因?,F代項目管理相比于傳統(tǒng)項目管理新增了范圍項目、集成項目、風險控制的專項管理模式,可使項目管理效用有效提高,這也是現代項目管理模式成為當前主流的最重要原因。

        電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數Gi(s):

        當開關頻率很高時,可忽略掉二次項,則電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數Gi(s)可簡化:

        若繪出電流內環(huán)開環(huán)波特圖和閉環(huán)波特圖,可以看到兩個傳遞函數都有足夠的相位裕量和增益裕量,系統(tǒng)相對穩(wěn)定性和動態(tài)性能較強。

        2.3 Boost輸入電壓外環(huán)的控制設計

        本文Boost電路控制存在兩個電壓環(huán),即輸入的電壓外環(huán)和直流母線電壓保護環(huán)。雙電壓環(huán)所對應的電壓基準不一樣,在分析輸入電壓外環(huán)時,不考慮直流母線電壓保護環(huán)。

        電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數Gov(s):

        為簡化分析,根據Boost電路小信號模型和光伏電池的模型,在考慮MPPT遠慢于電壓環(huán)和忽略輸入電容的內阻情況下,可以得到輸入電壓uin與電感電流iL之間的傳遞函數Gvi(s),其中,Req為最大功率點時光伏電池等效內阻。

        與電流內環(huán)一樣,加入補償環(huán)節(jié)Gcv(s)來增加開環(huán)增益,提高動態(tài)響應性能和濾除高次諧波,Gcv(s)表示如下,其中Kvp和τv分別為電壓環(huán)補償環(huán)節(jié)的比例系數和積分時間常數。

        由于在對直流電壓采樣中,我們需要濾除由于交流電網側瞬時功率帶來的直流母線的波動,一般截止頻率設置在電網頻率的十分之一處。將各式帶入,并合并兩個小時間常數,得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數Gov(s):

        實際光伏電池的阻抗是受光照、溫度和工作電流等因素影響,為簡化控制系統(tǒng)設計,方便補償環(huán)節(jié)參數計算,設Req=0。綜合考慮電壓外環(huán)的抗干擾性能和跟隨性能,按典型Ⅱ型系統(tǒng)來設計電壓調節(jié)器,工程上一般取中頻寬h為5,得到:

        由典型Ⅱ型系統(tǒng)震蕩指標法,以閉環(huán)幅頻特性峰值最小準則來給控制器參數整定[22-25],有:

        結合以上兩式和系統(tǒng)參數,可得補償環(huán)節(jié)參數τv=1,最后可得電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數Gov(s):

        可以從其波特圖看出傳遞函數滿足系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性的要求。

        2.4 Boost直流母線電壓保護環(huán)設計

        同輸入電壓外環(huán)的分析一樣,只考慮直流母線電壓保護環(huán)工作。輸出電壓uo與輸入電流iL的傳遞函數Gbi(s)如下,其中Ro為Boost等效輸出電阻。

        按照典型二階系統(tǒng)參數整定可得補償環(huán)的積分時間常數τb=1,比例調節(jié)增益最后可得直流保護電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數Gob(s)為:

        可以從其波特圖看出,它的相位裕量和增益裕量滿足系統(tǒng)要求。

        2.5 逆變電路雙環(huán)設計

        逆變電路采用傳統(tǒng)雙環(huán)控制結構,控制的電壓為直流母線電壓,同Boost電路控制環(huán)路設計一樣,全橋逆變電路電流環(huán)的補償環(huán)節(jié)(s)和電流開環(huán)傳遞函數(s):

        可以從它們的波特圖證實傳遞函數有足夠的相位裕量和增益裕量。

        3 仿真結果

        3.1 逆變電流輸出并網

        逆變器接電網,需保持電感電流iL與電網電壓uLN同頻同相位,仿真波形如圖2所示。從圖2中可以看到,電網電壓和并網電流始終同頻同相位,實現了輸出功率因數為1的要求。

        3.2 最大功率跟蹤仿真

        要知道本文中的MPPT能否實現,需觀察Boost輸入電壓uin和電流iin,其波形如圖3所示,其中輸入電壓幅值縮至0.1倍,輸入電流幅值不變。

        從仿真結果中可以看到,輸入電壓穩(wěn)定在約280 V的位置,輸入電流均值在11.4 A附近,與光伏組件參數Um=280 V,Im=11.4 A一致,驗證了MPPT能實現。

        圖2 電網電壓和并網電流波形Fig.2 Waveform of grid voltage and current

        圖3 Boost輸入電壓與電流波形Fig.3 Input voltage and current waveform of Boost

        3.3 直流母線電壓保護仿真結果

        光照增強至1 500 W·m-2下,對加了直流母線電壓保護環(huán)的直流母線電壓ubusb及Boost電感電流iLb和沒加保護環(huán)的直流母線電壓ubus及Boost電感電流iL進行仿真對比,得到仿真波形圖如圖4所示。

        光照增強直接導致光伏組件最大輸出功率增加,由于逆變側功率被限制,此時若繼續(xù)做MPPT,多出的功率加在直流母線電容上,圖中可以看到ubus持續(xù)升高,無法抑制;而加了保護的電路,保護環(huán)輸出作為Boost電感電流基準,控制其大小,圖中可見iLb峰值明顯小于iL,使得ubusb穩(wěn)定在直流母線電壓保護環(huán)的基準電壓400 V上下,很好的實現了限制直流母線電壓過高,保護電路器件,使系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的目的,證明了該保護是有效的。

        圖4 直流母線電壓保護驗證圖Fig.4 Verification figure of DC bus voltage protection

        4 結論

        本文對光伏并網系統(tǒng)控制進行了分析與設計,提出了一種新型控制,在Boost功率大于逆變電路功率時,通過直流母線電容過電壓的保護控制,自動調節(jié)Boost功率以匹配逆變電路功率。從仿真波形對比中可以看到這種控制能有效地使直流母線電壓穩(wěn)定在預設電壓值附近,同時滿足系統(tǒng)額定功率輸出,提高系統(tǒng)運行的可靠性。

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