臺流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川 750021)

基于坐標(biāo)變換的單相光伏并網(wǎng)控制策略的研究

臺流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川 750021)

一種單相兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真研究。根據(jù)硅型光伏電池的特性，研究設(shè)計了光伏電池的仿真模型，該模型可以模擬任意日照和溫度下光伏電池的輸出特性。在最大功率點跟蹤的算法方面，基于傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的進行改進，提出了一種變步長的跟蹤算法。逆變環(huán)節(jié)采用全橋逆變電路，根據(jù)瞬時無功理論，虛擬出一個與單相交流電流分量正交的交流量，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換并利用PI調(diào)節(jié)控制來實現(xiàn)逆變電流的無靜差并網(wǎng)控制，同時實現(xiàn)了有功、無功功率的解耦控制。詳細(xì)分析了所提出的系統(tǒng)的工作原理和控制策略，采用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)光伏陣列最大功率點的快速、準(zhǔn)確跟蹤，逆變輸出電流控制精度高、諧波含量低，能實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)發(fā)電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；增量電導(dǎo)法；坐標(biāo)變換

傳統(tǒng)能源的短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的重大問題，研究開發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義。太陽能作為可再生能源之一，以其無噪聲、無污染、能量普遍等優(yōu)點越來越受到重視。太陽能開發(fā)利用必將在21世紀(jì)得到長足的發(fā)展，而光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用的必然發(fā)展趨勢，并且光伏發(fā)電在未來的發(fā)電系統(tǒng)中也將占據(jù)越來越重要的地位。由于太陽能發(fā)電成本較高，近年來，研究者主要致力于提高光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化效率、降低成本的研究[1-2]。

現(xiàn)在逆變系統(tǒng)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單級式逆變系統(tǒng)和兩級式逆變系統(tǒng)。單級式系統(tǒng)效率高，但其控制較為復(fù)雜，實際應(yīng)用困難。兩級式系統(tǒng)的效率比單級式較低，但其最大功率跟蹤和逆變并網(wǎng)控制分別獨立完成，控制相對簡單，是目前采用較多的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文將以兩級式結(jié)構(gòu)作為研究對象。

1 硅型光伏電池的建模仿真

1.1 太陽電池等效電路

硅型光伏電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。光伏電池的輸出特性與日照強度(W/m2)、電池溫度(℃)以及負(fù)載電壓有關(guān)。根據(jù)電子學(xué)理論，其等效電路模型如圖1所示。

根據(jù)太陽電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路特性，在不同光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池模塊的輸出電流-電壓()以及功率-電壓()具有非線性特性，光伏電池的輸出特性方程為[3]：

圖1 光伏電池等效電路模型

1.2 太陽電池的仿真模型

本文選用德國Siemens公司生產(chǎn)的SP75型號電池進行實驗分析。當(dāng)光強=1 000 W/m2，溫度=25℃時，Siemens SP75電氣參數(shù)為：oc=21.7 V，sc=4.8 A，m=17.0 V，m=4.4 A，m=75 W。根據(jù)上面光伏電池的電路模型和相關(guān)的電氣參數(shù)，利用Matlab/Simulink建立了光伏電池仿真測試模型。

1.3 太陽電池的溫度特性和光照特性仿真

(1)不同光照條件下光伏電池輸出特性

從圖2特性曲線的測試結(jié)果得知，日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流會有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨之改變，短路電流sc和輸出功率均與光照強度成正比。

圖2 相同溫度不同光照下光伏電池的特性曲線

(2)不同環(huán)境溫度下光伏電池輸出特性

圖3 相同光照不同溫度下光伏電池的特性曲線

2 最大功率點跟蹤的研究

2.1 最大功率點的跟蹤方法

常用的最大功率點的跟蹤方法有：恒定電壓法、增量電導(dǎo)法以及擾動觀察法。恒定電壓法算法簡單但其效率較低。擾動觀察法則有在最大功率點附近振蕩的問題，造成能量損耗并降低光伏電池的效率，尤其是在氣候條件變化緩慢時，能量損耗的情況更為嚴(yán)重[4]。鑒于增量電導(dǎo)法的快速性和準(zhǔn)確性，本文在增量電導(dǎo)法上進行研究。

2.2 改進的增量電導(dǎo)法的算法仿真

傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法步長固定，步長過小，會使光伏陣列長時間滯留在低功率區(qū)域，步長過大，又會加劇系統(tǒng)的振蕩。理想的控制目標(biāo)是：當(dāng)離最大功率點較遠(yuǎn)時，步長增大，尋優(yōu)速度加快；當(dāng)離最大功率點較近時，步長減小，逐漸地逼近最大功率點；當(dāng)其非常接近最大功率點時，系統(tǒng)就穩(wěn)定在該點工作。改進的增量電導(dǎo)算法流程圖如圖4所示。

圖4 改進的增量電導(dǎo)算法流程圖

改進算法是在傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法上增加一個控制單元，利用可變步長進行功率點跟蹤，即當(dāng)工作點1遠(yuǎn)離最大功率點時，則采用適當(dāng)步長爭取在最少的執(zhí)行周期內(nèi)把工作點調(diào)整到最大功率點附近。這種算法將使得從1到max的調(diào)整步數(shù)大大減少，從而提高了跟蹤速度，當(dāng)調(diào)整到max附近時再用小步長進一步跟蹤逼近max。

對比圖5的仿真結(jié)果可以明顯看出，在0.3 s和0.5 s當(dāng)溫度和光照分別發(fā)生改變時，改進的增量電導(dǎo)算法可實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率，克服了傳統(tǒng)增量電導(dǎo)算法因震蕩問題所產(chǎn)生的功率損失，具有較好的跟蹤效果，進一步提高了系統(tǒng)的跟蹤效率。

圖5 (a)改進前的結(jié)果

3 逆變并網(wǎng)控制策略的研究

逆變環(huán)節(jié)是連接光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其控制目標(biāo)是輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的正弦交流電，并且與電網(wǎng)電壓同頻同相。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流控制策略是研究的熱點之一。現(xiàn)有的控制方法有PI控制、空間矢量控制、無差拍控制、重復(fù)控制等。本文根據(jù)瞬時無功理論，采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制，實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電與功率調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制[6-7]。

圖5 (b)改進后的結(jié)果

圖6 基于坐標(biāo)變換的逆變環(huán)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)框圖

4 仿真實驗及其結(jié)果分析

根據(jù)以上的控制方案，基于Matlab/Simulink建立了兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，光伏陣列輸出直流電壓經(jīng)升壓后為400 V左右，逆變后與220 V/50 Hz交流電網(wǎng)并網(wǎng)。圖7為逆變器輸出并網(wǎng)電流波形和電網(wǎng)電壓波形。圖8為逆變器輸出的無功功率和有功功率。從仿真結(jié)果可以看出，逆變器輸出電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行，達到了預(yù)定的控制目標(biāo)。從圖9并網(wǎng)電流頻譜分析結(jié)果可知，基波電流幅值為7 A，電流諧波總畸變率為0.26%。由此得出：當(dāng)直流母線電壓、濾波電感，以及PI參數(shù)選擇合適的情況下，基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的并網(wǎng)電流SPWM跟蹤閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅能成功實現(xiàn)并網(wǎng)的控制，還能實現(xiàn)有功無功的調(diào)節(jié)。

圖7 逆變輸出的電壓和電流波形

圖8 逆變輸出的功率波形

圖9 逆變輸出電流的諧波含量分析

5 結(jié)論

本文首先分析了硅型光伏電池的等效電路，基于推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了光伏電池Simulink仿真模型，驗證了光伏陣列在不同的光照強度和不同溫度下的光伏輸出特性曲線，與光伏陣列輸出特性曲線基本吻合，具備研究價值。在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上進行改進，采用變步長的最大功率點跟蹤算法，進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明改進算法具有跟蹤速度快、效率高的優(yōu)點。對單相兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變控制環(huán)節(jié)采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制，實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電與有功無功調(diào)節(jié)的統(tǒng)一控制，仿真實驗表明，該方案在穩(wěn)態(tài)情況能有效降低并網(wǎng)電流THD，有較好的動態(tài)響應(yīng)能力。

[1]KJAER S B,PEDERSEN J K,BLAABJERG F.A review of singlephase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(5):1129-1306.

[2]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤算法穩(wěn)定性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006,26(6): 73-77.

[3]SOLODOVNIK E V,LIU S,DOUGAL R A.Power controller design for maximum power tracking in solar installations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1295-1304.

[4]周德佳，趙爭鳴，袁立強，等.具有改進最大功率跟蹤算法的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)[J].中國電機工程學(xué)報，2008，28(31): 94-100.

[5]趙庚申，王慶章，許盛之.最大功率點跟蹤原理及實現(xiàn)方法的研究[J].太陽能學(xué)報，2006,27(10):997-1001.

[6]董密，羅安.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的設(shè)計與控制方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30(20):97-102.

[7]顧和榮，揚子龍，鄔偉楊.并網(wǎng)逆變器輸出電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2006,26(9):108-112.

[8]FRANCESCHINI G,TASSONI E L C,BELLINI A.Synchronous reference frame grid current control for single-phase photovoltaic converters[C]//Industry Applications Society Annual Meeting,2008. US:IEEE,2008:1-7.

Research on control strategy of single-phase photovoltaic grid-connected system based on frame transformation

TAI Liu-chen,WANG Jin-mei,SU Ting

A simulation system for single-phase grid-connected photovoltaic(PV)system was proposed.The electrical model and nonlinear characteristics of the silicon PV cell were analyzed.The Simulink simulation model was built based on the output characteristics of single PV cell.An improved maximum power point tracking(MPPT) method based on the traditional incremental conductance method was simulated and studied.DC-AC link,using the full-bridge inverter circuit,according to the instantaneous reactive power theory,imaginary component was built and processed by Park transformation.The AC component into DC component was changed.The steady-state error of the grid current could be eliminated by the simple PI control.Then the inverter active and reactive power control were allowed.Experimental results show that when the high stability and high efficiency of this modified strategy is applied in single-phase grid-connected PV system,the output current has high control precision,low harmonic and unit power factor operation are realized.

photovoltaic grid-connected system;maximum power point tracking;incremental conductance method; frame transformation

TM 615

A

1002-087 X(2014)02-0286-04

2013-06-14

國家自然科學(xué)基金項目(51167015)；寧夏回族自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(NZ1152)；國家國際科技合作專項項目(2011DFA11780)

臺流臣(1985—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子和新能源發(fā)電技術(shù)。

王金梅(1968—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向為光伏并網(wǎng)發(fā)電及微網(wǎng)技術(shù)。E-mail：Wang_jm@nxu.edu.cn