毛 弋，向海燕，康 倫，蔣 盈，朱曉亮

(1. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410082；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410083)

上世紀(jì)80年代開(kāi)始，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電進(jìn)行了研究，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，90年代起，全球光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)開(kāi)始迅速崛起[1]．太陽(yáng)能資源豐富、分布廣泛，是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，未?lái)10年太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷快速發(fā)展時(shí)期．

同步發(fā)電機(jī)具有維持功率平衡和調(diào)頻調(diào)壓特性，同步發(fā)電機(jī)還可以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若分布式發(fā)電中也能引入這些特性，那么必將大幅度提升分布式發(fā)電的性能，這樣就提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的思想，它是一種新穎的控制策略．

本文介紹了光伏電池的數(shù)學(xué)模型以及最大功率點(diǎn)跟蹤算法，深入地分析了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的模型以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并給出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制原理以及matlab仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證基于虛擬同步發(fā)電機(jī)光伏并網(wǎng)的可行性．

1 光伏電池模型

光伏電池的輸出特性具有強(qiáng)烈的非線性，其輸出的功率大小與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及光伏自身容量有關(guān)，同時(shí)光伏發(fā)電單元的端電壓會(huì)隨光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化而改變，從而使輸出功率發(fā)生變化，太陽(yáng)能電池等效數(shù)學(xué)模型如下，由已知條件得到光伏電池的輸出特性方程：

光生電流I1由太陽(yáng)能光照強(qiáng)度和電池溫度來(lái)決定：

式中IL為光伏電池輸出電流；Iscr為光伏電池在溫度和光照強(qiáng)度參考值下的短路電流；ki為短路電流溫度系數(shù)；US為光伏電池輸出電壓；q為電荷常數(shù)，q=1.6×10-19；K為普爾滋曼常數(shù)，K=1.38×10-23；A為PN結(jié)理想?yún)?shù)；T為光伏電池溫度，單位為K；I0為光伏電池反向飽和電流；Rs為光伏電池串聯(lián)等效電阻；Tr為光伏電池參考溫度；Ior為在Tr處的反向飽和電流；EG為電池板中半導(dǎo)體禁帶寬帶；S為光照強(qiáng)度．

2 最大功率點(diǎn)跟蹤

系統(tǒng)中DC/DC變換器采用Boost電路，為使其輸出電壓維持在500 V，調(diào)節(jié)占空比最為關(guān)鍵，在功率平衡時(shí)可通過(guò)改變占空比間接調(diào)節(jié)光伏電池工作電壓并完成最大功率點(diǎn)跟蹤．

圖1 擾動(dòng)觀察法的基本流程圖Fig.1 The flow chart of perturbation and observation method

這里采用擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，其工作原理如下：擾動(dòng)觀察法，也被稱(chēng)為“爬山法”，是一種最常用的方法，它的算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)．假如在某一時(shí)刻k時(shí)的工作電壓為V(k)，輸出功率為P(k)，在這時(shí)加上一個(gè)小擾動(dòng)ΔV，經(jīng)過(guò)擾動(dòng)后的電壓為V(k+1)=V(k)+ΔV，輸出功率變?yōu)镻(k+1)，如果P(k+1)>P(k)，則下一個(gè)時(shí)刻的擾動(dòng)方向不變，即V(k+2)=V(k+1)+ΔV，得到擾動(dòng)后的輸出功率為P(k+2)，然后比較P(k+2)和P(k+1)，并不斷重復(fù)這一過(guò)程，直到某一時(shí)刻k′，輸出功率變?yōu)镻(k′)P(k′)，則不改變擾動(dòng)方向繼續(xù)擾動(dòng)，若P(k′+1)

圖2 MPPT仿真模塊圖Fig.2 The simulation module diagram of MPPT

3 光伏并網(wǎng)逆變器控制

并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件以及技術(shù)關(guān)鍵，通過(guò)采用一定的控制技術(shù)對(duì)其輸出電壓電流進(jìn)行控制，并使其還要具有調(diào)頻、調(diào)壓以及功率調(diào)度的功能，從而決定其輸出電能的質(zhì)量，以及系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率．并網(wǎng)逆變器的控制方法多種多樣，其電壓電流雙閉環(huán)控制方法在實(shí)際應(yīng)用中最為常見(jiàn)，還有近幾年采用的直接功率控制策略，這兩種控制策略都得到了廣泛的應(yīng)用；而當(dāng)進(jìn)行大規(guī)模的光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，對(duì)大電網(wǎng)將造成很大的影響，這就需要像控制常規(guī)發(fā)電機(jī)一樣去控制這些光伏發(fā)電電源，至少需要采用新穎的技術(shù)去模仿常規(guī)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性，本文采用的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略是一種全新的控制方法，它將使得逆變器運(yùn)行具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，可實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)壓以及功率調(diào)度的功能，保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，針對(duì)于此，首先建立虛擬同步發(fā)電機(jī)的本體數(shù)學(xué)模型，然后介紹實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)的具體細(xì)節(jié)，最后完成虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制，由虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)PWM后產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，從而控制逆變器運(yùn)行．

3.1 虛擬同步發(fā)電機(jī)本體數(shù)學(xué)建模

電氣部分建模方程：定子繞組可看作集中式線圈，其自感為L(zhǎng)，互感為-M，(M≥0其值為1/2L，負(fù)號(hào)是由于2π/3相角度而引起)．轉(zhuǎn)子繞組可看作集中式線圈，其自感為L(zhǎng)f，而轉(zhuǎn)子繞組和三相定子線圈之間的互感則隨轉(zhuǎn)子角度θ變化．

其繞組的磁鏈方程等式可表示為：

(1)

式中ia，ib和ic為三相定子電流，同時(shí)if為同步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，其等式表示為：

機(jī)械部分建模方程[9]：轉(zhuǎn)子機(jī)械方程主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)矩的不平衡對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的作用，并且是實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)功率調(diào)整的重要所在．轉(zhuǎn)子機(jī)械方程如下：

(2)

式中的J為轉(zhuǎn)子所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分的主要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Dp為阻尼系數(shù)；電磁轉(zhuǎn)矩Te可以由儲(chǔ)存在電機(jī)磁場(chǎng)中的能量E得到，如下式：

從能量的角度考慮，且其中Φf磁鏈為常數(shù)，這就意味著沒(méi)有反生電動(dòng)勢(shì)，所有的能量都流向機(jī)械部分，同時(shí)不難得出如下等式：

(3)

3.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)的實(shí)現(xiàn)

電源部分設(shè)計(jì)[10]：本節(jié)給出電源部分設(shè)計(jì)的一些想法，假設(shè)虛擬同步電機(jī)中的虛擬磁場(chǎng)繞組是由可調(diào)節(jié)直流電流if進(jìn)行激磁，而不是通過(guò)電壓源uf，那么端電壓uf變化就不產(chǎn)生影響．只要if為常數(shù)，則感生電動(dòng)勢(shì)可折合為：

(4)

圖3 虛擬同步電機(jī)的電氣部分Fig.3 Electronic part of virtual synchronous generator

電氣部分設(shè)計(jì)：虛擬同步發(fā)電機(jī)的電氣部分可由數(shù)字處理器(DSP)和相關(guān)電路組成，并在某一特定程序下運(yùn)行，從而來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷，其原理框圖如圖3所示．虛擬同步發(fā)電機(jī)的組成部分通過(guò)電壓信號(hào)e和電流信號(hào)i相互作用、相互影響(u和ug用來(lái)控制虛擬同步發(fā)電機(jī))．電壓傳感器、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器屬于虛擬同步發(fā)電機(jī)的電氣部分，通常認(rèn)為，DSP中的程序也包括其控制器部分．

從逆變器橋臂方向看，其有功功率和無(wú)功功率分別可表示為：

(5)

但在進(jìn)行同步發(fā)電機(jī)有功功率和無(wú)功功率調(diào)節(jié)時(shí)，采用有功P和無(wú)功Q的原始方程．等式(2)可寫(xiě)為：

聯(lián)立式(3)、(4)、(5)，就可實(shí)現(xiàn)圖3所示的虛擬同步電機(jī)的電氣部分．

4 虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制

4.1 控制原理

圖4 虛擬同步發(fā)電機(jī)有功無(wú)功調(diào)節(jié)圖 Fig.4 Regulation of the real and reactive power in virtual synchronous generator

4.2 仿真建模與分析

在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上搭建仿真模型(如圖5所示)，將并網(wǎng)逆變器連接到220 V電網(wǎng)上，逆變器開(kāi)關(guān)頻率10 kHz，直流母線電壓設(shè)定為720 V，給定功率1 kW，采樣時(shí)間TS=5×10-6s，同時(shí)仿真的數(shù)值都采用標(biāo)幺制．仿真過(guò)程中模擬外界環(huán)境溫度25 ℃，光照強(qiáng)度設(shè)定為1 kW/m2．求解選用ode23t，采用變步長(zhǎng)解碼器，仿真時(shí)間設(shè)定0.5 s．

圖5 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真圖Fig.5 The simulation diagram of grid-connected PV system based on virtual synchronous generator

其仿真波形如圖6所示．

圖6 仿真分析圖Fig.6 The simulation analysis diagram

由圖7仿真圖可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，從圖(d)可以看出其并網(wǎng)輸出電流未出現(xiàn)過(guò)流，只是在電網(wǎng)電壓跌落瞬間出現(xiàn)了一點(diǎn)過(guò)流，且在很短暫的時(shí)間內(nèi)可達(dá)到穩(wěn)定輸出，圖(e)反映出有良好的跟蹤功率給定，從圖(f)可以看出電壓與電流存在相位差說(shuō)明發(fā)出了一定的無(wú)功功率，圖(g)反映出當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)其并網(wǎng)輸出電流總畸變率THD=2.62%，符合了并網(wǎng)要求．

圖7 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仿真分析圖Fig.7 The simulation analysis diagram when grid voltage sags happen

5 結(jié)論

本文采用虛擬同步發(fā)電控制策略，使得光伏并網(wǎng)逆變器能夠根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的下垂機(jī)制參與電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)制，該方法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，也是新能源發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)，該控制策略就使得光伏逆變器的運(yùn)行具有同步發(fā)電機(jī)的外特性，尤其適合大容量光伏發(fā)電滲透率較大的配網(wǎng)系統(tǒng)，為驗(yàn)證其控制策略的可行性，在Matlab仿真軟件中進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真圖可知采用該控制策略能夠滿足并網(wǎng)要求，并能實(shí)現(xiàn)穿越電網(wǎng)故障的能力，有效地提高了并網(wǎng)發(fā)電的可靠性和穩(wěn)定性．

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