耿愛玲，馬 亮，吳鵬程

（1.北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司 北京 100009；2.北京市光伏核心裝備工程研究中心 北京 102100）

近年來，作為可再生能源的太陽能贏得了社會的關(guān)注。光伏組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例，其最主要的部分是并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)。此系統(tǒng)可分為兩部分：光伏陣列和并網(wǎng)逆變器組。

然而，隨著社會的發(fā)展，更大容量電源的需求變得越來越大。因此，對逆變器系統(tǒng)容量的擴(kuò)大是勢在必行[1-4]，可使用增加單臺逆變器的容量或多臺逆變器并聯(lián)運行的方法來實現(xiàn)系統(tǒng)容量的擴(kuò)大。根據(jù)以上兩種不同的方法，并網(wǎng)系統(tǒng)可分為兩類，分別為集中式和分布式。集中式連接：光伏陣列并聯(lián)作為逆變器系統(tǒng)的總輸入，并網(wǎng)逆變器輸出并聯(lián)掛網(wǎng)運行。分布式連接：光伏陣列獨立作為各并網(wǎng)逆變器輸入，各逆變器輸出并聯(lián)掛網(wǎng)運行。

對于集中式并網(wǎng)系統(tǒng)而言，擴(kuò)大單臺逆變器的容量存在著制造和安裝等多方面的困難[5-8]。另一方面，對于分布式系統(tǒng)，擴(kuò)大逆變器系統(tǒng)的容量是相對簡單且易于實現(xiàn)。本文就分布式并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，多臺逆變器并網(wǎng)運行，并提出了將鏈狀控制法作為多臺逆變器并聯(lián)運行的控制策略。仿真結(jié)果顯示多臺逆變器并網(wǎng)功率因數(shù)為1，且對不同情況下的輸出功率做了比較，驗證了此方法的有效性。

1 群控系統(tǒng)設(shè)計

并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)交、直流轉(zhuǎn)換，同時也可以實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤，增大系統(tǒng)的發(fā)電量。多逆變器群控系統(tǒng)增加了光伏電站的日發(fā)電量，提高了太陽能利用率。

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。兩組光伏陣列模塊分別獨立控制兩組逆變器模塊。其中Ipv，Vpv分別為每組光伏陣列模塊的采樣電流和采樣電壓，DC/AC為逆變器組，最終兩組逆變器并聯(lián)接入電網(wǎng)中。

1.2 系統(tǒng)控制策略

光伏并網(wǎng)群控系統(tǒng)的實現(xiàn)應(yīng)包含兩方面：一方面是多臺逆變器成功并網(wǎng)，另一方面是群控系統(tǒng)優(yōu)化控制以實現(xiàn)最大發(fā)電效率。基于圖1分析，兩組逆變器模塊獨立運行，且輸入電壓也相互獨立，因此以下就單組逆變器模塊進(jìn)行分析。

圖2所示為多臺逆變器并聯(lián)在同一組光伏陣列模塊下的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。多臺逆變器并聯(lián)運行情況下[7-10]，為了避免由于各模塊不完全相同而在系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流的問題，文中采用鏈狀控制法，此方法是利用電感電流互追的方式來控制逆變器組。

圖1 光伏群控系統(tǒng)控制框圖Fig.1 PV group control system control block diagram

本設(shè)計采用兩臺逆變器并網(wǎng)運行進(jìn)行分析。圖3所示為兩臺逆變器并聯(lián)運行情況下的控制框圖。其中各臺逆變器的輸入電壓相同，輸出電壓端相互并聯(lián)接入電網(wǎng)，其中Ipv，Vpv分別作為逆變器輸入電流和輸入電壓，vdc為逆變器直流側(cè)電壓。MPPT為最大功率點跟蹤控制單元，確定光伏陣列最大功率點時的工作電壓vdc*。第一個PI為電壓調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)輸出為并網(wǎng)電流的幅值給定IP*。第二個PI為電流調(diào)節(jié)器，其中vg/|vg|為與電網(wǎng)同步的正弦信號，Ig1，Ig2分別為逆變器1和逆變器2的電感電流，此環(huán)節(jié)完成并網(wǎng)交流電流的跟蹤控制，最終經(jīng)過PWM控制方式控制逆變器開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。兩臺逆變器實現(xiàn)成功并網(wǎng)。

由圖1和圖2可以看出，鏈狀控制法是在多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中，各逆變器內(nèi)環(huán)電流模塊增加參考電流，此參考電流為另一逆變器的電感電流。例如：逆變器1的輸出電流Ig1作為逆變器2的參考電流Ig2，逆變器2的輸出電流Ig2作為逆變器3的參考電流。以此類推，在并網(wǎng)系統(tǒng)中構(gòu)造成一個鏈，由此實現(xiàn)了各并聯(lián)逆變器電感電流互追，達(dá)到各逆變器輸出電流相等的效果。

圖2 多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Multi-inverter parallel system structure

圖3 多逆變器并聯(lián)控制框圖Fig.3 Multiple parallel control block diagram of the inverter

2 仿真模型與結(jié)果

2.1 PV仿真模型

光伏陣列的通用數(shù)學(xué)模型[11-12]如下：設(shè)在參考條件下的開路電壓為voc，短路電流為Isc，最大功率點電流和電壓分別為im，vm?？紤]到太陽輻射Rref和Tref溫度的影響，其中光伏陣列電壓V和對應(yīng)點電流I的關(guān)系特性如式（1）所示。

α：在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（Amps/C）；

β：在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/°C）；

RS:光伏模塊的串聯(lián)電阻（Ohms）。

在此條件下，光伏電池的輸出功率P為P=VI：

基于以上數(shù)學(xué)模型，在Matlab環(huán)境下使用Simulink工具，并結(jié)合編寫S函數(shù)，建立了光伏陣列的通用仿真模型。其中，太陽能電池的參數(shù)設(shè)置如表1所示。最終得出光伏陣列的I-V特性曲線和P-V特性曲線。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

表1 PV仿真模型參數(shù)Tab.1 PV simulation model parameters

2.2 多逆變器并聯(lián)仿真模型

根據(jù)上述研究，在Matlab環(huán)境下使用Simulink工具搭建多逆變器并聯(lián)仿真模型[13]。仿真模塊的直流輸入端為光伏陣列的輸出端，交流輸出端并入電網(wǎng)。本文所述仿真模型有兩臺逆變器并聯(lián)在同一太陽電池電路中。太陽電池開路電壓為42 V，交流側(cè)并網(wǎng)電壓U為220 V，頻率50 Hz。

2.3 仿真結(jié)果

光伏陣列的參數(shù)設(shè)置如表1所示，通過PV仿真模型分別得到光伏陣列的I-V和P-V特性曲線。曲線如圖4和圖5所示。圖6所示波形為并網(wǎng)后電壓和電流波形，兩個波形比較后可知，是與同頻同相的正弦波，系統(tǒng)的功率因數(shù)近似等于1。由此驗證了兩臺逆變器并網(wǎng)成功。

圖7所示為逆變器模塊直流側(cè)電壓為35 V時系統(tǒng)的輸出功率波形。此時逆變器模塊的直流側(cè)輸入功率為134.3 W，從仿真結(jié)果得知交流側(cè)輸出功率為132.7 W，計算得逆變器模塊的轉(zhuǎn)換效率為99%。圖8所示為逆變器模塊的直流側(cè)電壓為20 V時系統(tǒng)的輸出功率波形。此時直流側(cè)的輸入功率為89 W，從仿真結(jié)果得知逆變器模塊交流側(cè)的輸出功率為87.5 W，此時可計算得轉(zhuǎn)換效率為98.3%。

由以上分析得出光伏并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)成功，同時也驗證了隨著光照強(qiáng)度的不同，逆變器模塊的轉(zhuǎn)換效率也不同。

圖4 光伏陣列的I-V特性曲線Fig.4 A characteristic curve of the photovoltaic array

圖5 光伏陣列的P-V特性曲線Fig.5 Characteristic curve of the P-V array

圖6 并網(wǎng)側(cè)電壓Fig.6 oltage of grid side

圖7 Udc=35 V，群控系統(tǒng)輸出功率曲線圖Fig.7 Udc=35 V，the output power graph group of control system

3 效率分析

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究中，人們一直致力于最大限度的提高太陽能的利用率。例如，目前一些光伏逆變器的產(chǎn)品效率高達(dá)98%以上。文中對本公司5 kW逆變器，對其效率進(jìn)行分析及研究?；谙到y(tǒng)控制策略中提出逆變器等功率運行方法，可以得出多臺逆變器并網(wǎng)運行的效率曲線同單臺逆變器獨立運行的效率曲線是相同的。效率曲線如圖9所示。

圖8 Udc=20 V，群控系統(tǒng)輸出功率曲線圖Fig.8 Udc=20 V，the output power graph of group control system

由圖可知，逆變器的轉(zhuǎn)換效率與逆變器輸出功率有關(guān)。逆變器的輸出功率比額定功率小很多時（例如小于10%），逆變器的發(fā)電效率開始出現(xiàn)大幅度下降，然而當(dāng)輸出功率大于額定功率的80%時，發(fā)電效率也會下降，因此逆變器功率的最優(yōu)工作范圍為輸出功率在額定功率的20%到80%之間，保證了逆變器的發(fā)電效率在98%以上。

圖9 群控系統(tǒng)效率曲線Fig.9 Efficiency curve of group control system

4 結(jié) 論

文中就分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了多臺逆變器并網(wǎng)的方法及控制策略。使用電感電流互追的鏈狀控制法來控制逆變器組，多臺逆變器并聯(lián)運行情況下，避免了由于各逆變器模塊不完全相同而產(chǎn)生環(huán)流的情況。本文最后對光伏并網(wǎng)群控系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗并且對其效率進(jìn)行了分析，仿真實驗得出的結(jié)果顯示了多臺逆變器成功并網(wǎng)并且可以穩(wěn)定運行，驗證了當(dāng)光伏陣列的輸出功率不同時，逆變器模塊的發(fā)電效率也會不同。

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