裴金楠，付立思，任龍，吳碩

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽 110043；3.遼寧裝備職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110161)

0 引言

太陽是萬物之源，太陽能是最原始、最永恒的能量，它不但清潔，而且取之不盡用之不竭，同時(shí)太陽能還是其他各種形式可再生能源的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以光伏發(fā)電并網(wǎng)為核心的光伏利用在全球未來能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位[1]，世界各國正在大力發(fā)展光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。

我國光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的研究還處于起步階段，與歐美國家相比差距較大。目前，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在仿真建模、控制策略等方面已經(jīng)取得一定成果，但都為簡化的仿真建模。本文通過Matlab軟件搭建了一個(gè)完整的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)逐一驗(yàn)證模型的正確性。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分為兩級(jí)，前級(jí)為DC/DC升壓部分，后級(jí)為DC/AC部分，經(jīng)逆變器后進(jìn)行濾波，通過隔離變壓器接入電網(wǎng)。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要包括如下幾個(gè)部分：光伏電池組件、Boost升壓電路、控制逆變器、無源(LC)濾波器、隔離變壓器和電網(wǎng)，如圖1所示(圖中：PWM為脈沖寬度調(diào)制；SVPWM為空間矢量脈沖寬度調(diào)制)。太陽能光伏電池作為可再生的分布式電源，向電力網(wǎng)絡(luò)供電，通過前級(jí)Boost升壓電路將直流母線電壓升到大電網(wǎng)所要求的電壓水平。受外界環(huán)境的影響，光伏電池發(fā)出的功率很不穩(wěn)定，在前級(jí)直流升壓電路上采用電導(dǎo)增量法來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)控制，從而提高光伏電池輸出功率的轉(zhuǎn)化率。后級(jí)逆變的控制是通過設(shè)定有功功率和無功功率參考值，提供給逆變器來進(jìn)行控制，經(jīng)LC濾波器(LC濾波器的設(shè)置參數(shù)參照文獻(xiàn)[2])，最后通過隔離變壓器進(jìn)入電網(wǎng)。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

2.1 光伏電池模型

圖2為光伏電池等效電路圖，其原理是基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。根據(jù)二極管特性和基爾霍夫定律[3],其輸出電壓和電流滿足如下方程

(1)

式中：U為光伏電池輸出電壓；I為輸出電流；Iph為光生電流；Rs和Rsh分別為光伏電池內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，Rs正常情況下不大于1 Ω，Rsh一般為幾千歐姆；Ish為流過Rsh的電流；Ud，為二極管兩端的電壓；Id和Isd分別為流過二極管的電流和反向飽和電流；Ad為影響因子；T為熱力學(xué)溫度；q，k分別為電子電荷常數(shù)和玻爾茲曼常數(shù)，其值分別為1.6×10-19C和0.86×10-4eV/K。當(dāng)光照強(qiáng)度Sref=1 000 W/m2、環(huán)境溫度tref=25 ℃時(shí)，輸出電流I為

圖2 光伏電池等效電路圖

(2)

(3)

C2=(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc) ,

(4)

式中：Uoc為光伏陣列的開路電壓；Isc為短路電流；Im和Um為光伏電池最大功率點(diǎn)的電流和電壓。從式(3)和式(4)可以看出，在光伏電池參數(shù)Isc，Im，Uoc，Um已知時(shí)，C1和C2為定值。代入式(2)可以得出光伏電池的I-V特性。當(dāng)外界環(huán)境(光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度)發(fā)生變化時(shí)，光伏電池中的參數(shù)會(huì)隨之變化，可以通過式(5)～(10)獲取當(dāng)前狀態(tài)下的光伏電池參數(shù)Isc_new,Im_new,Uoc_new,Um_new。

Δt=t-tref,

(5)

(6)

(7)

(8)

Uoc_new=Uoc[(1-cΔt)ln(e+bΔS)] ,

(9)

Um_new=Um[(1-cΔt)ln(e+bΔS)] ,

(10)

式中：a,b,c為補(bǔ)償系數(shù)，其值參照文獻(xiàn)[4]設(shè)定；S為當(dāng)前狀態(tài)下的光照強(qiáng)度；t為當(dāng)前狀態(tài)下的環(huán)境溫度。

對(duì)通過上述公式搭建的光伏電池仿真模型進(jìn)行參數(shù)修改，模擬多種光伏陣列，圖3為環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)不同光照強(qiáng)度下光伏電池P-V特性的仿真分析曲線。從圖3可以看出，光照強(qiáng)度分別為400，800，1 000 W/m2時(shí),所對(duì)應(yīng)的功率為35，75，100 kW，所對(duì)應(yīng)的電壓為315，365，385 V。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該模型的正確性。

圖3 光伏電池P-V曲線

2.2 最大功率跟蹤控制

從光伏電池P-V特性曲線可以看出，輸出的電壓和電流為非線性關(guān)系。當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏電池的開路電壓和短路電流很不穩(wěn)定，因而使得系統(tǒng)工作點(diǎn)不確定，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率降低。所以，光伏電池必須通過MPPT控制才能使其在任何情況下都保持最大輸出功率。MPPT的控制算法主要有定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、功率反饋法、電導(dǎo)增量法及最優(yōu)梯度法等。

本文采用電導(dǎo)增量法，該算法實(shí)現(xiàn)過程容易，能量損耗小，控制精度高,響應(yīng)速度較快,適合于大氣條件變化較快的場合。電導(dǎo)增量法是通過比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來改變控制信號(hào)，這種方法也需要對(duì)光伏的電壓和電流進(jìn)行采樣[5]。由光伏電池的P-V曲線可知，最大輸出功率Pmax處的斜率為零，即

(11)

(12)

通過式(11)、式(12)可以得到表1所列判據(jù)。

表1 光伏陣列達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件

圖4為電導(dǎo)增量法的控制流程圖，圖中：Un,In為光伏電池的電壓、電流檢測值；Ub,Ib為前一個(gè)控制周期的采樣值。這種控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),光伏電池能以穩(wěn)定的方式跟蹤其變化，且暫態(tài)振蕩也比較小。

圖4 電導(dǎo)增量法流程圖

2.3 逆變器控制策略

為使光伏電池所產(chǎn)生的直流電源逆變成交流電與大電網(wǎng)相連接輸出給負(fù)載，就必須對(duì)逆變器的輸出波形進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤控制，才能使逆變器的輸出電壓波形、幅值及相位與大電網(wǎng)一致。本文采用恒功率(PQ)控制方法，該方法通過設(shè)定微源原動(dòng)機(jī)的有功參考值來調(diào)節(jié)有功功率，并通過直流電壓控制器進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，而無功功率按照參考值進(jìn)行控制[6]。逆變器控制框圖如圖5所示，Pset-point為光伏電池發(fā)出的有功功率參考值，由于原動(dòng)機(jī)本身具有功率調(diào)節(jié)作用，所以光伏電池按照參考值來輸出有功功率，并通過PI1控制器調(diào)節(jié)有功電流，使直流電壓Udc和光伏電池的有功功率保持恒定輸出。無功功率輸出是測量電網(wǎng)中的電壓U和電流I，經(jīng)過計(jì)算得到無功功率Q，將無功功率參考值Qref與計(jì)算得到Q進(jìn)行比較，并通過PI2調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)逆變器端口輸出無功電流的大小，以實(shí)現(xiàn)無功功率的控制[7]。

圖5 PQ控制框圖

3 仿真結(jié)果與分析

本文通過Matlab/Simulink 設(shè)計(jì)出了完整的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示[8-12]。仿真光伏陣列由2行8列的光伏模組串并聯(lián)組成，仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定見表2。

圖6 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真圖

表2 仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

圖7為光伏電池在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的輸出功率和輸出電壓的仿真結(jié)果。由圖7可知，光照強(qiáng)度變化時(shí)，在相應(yīng)的外界環(huán)境下其輸出電壓能夠快速且準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的功率輸出。由此驗(yàn)證了本文開發(fā)的MPPT控制模塊的正確性。

圖7 光伏電池輸出功率與輸出電壓

光伏電池經(jīng)Boost電路后的直流母線電壓的仿真結(jié)果如圖8所示，光照強(qiáng)度變化時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器的控制模塊能夠迅速調(diào)節(jié)直流母線上的電壓，使其穩(wěn)定在參考電壓750 V，調(diào)節(jié)過程動(dòng)態(tài)性能較好。

電網(wǎng)電壓和逆變器輸出的A相電流波形如圖9所示，由于波形較小，所以截取其中一部分并放大20倍。由圖9可以看出，逆變器輸出的電流能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤大電網(wǎng)電壓成功實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，且當(dāng)光照變化時(shí)，光伏電池經(jīng)過逆變器輸出的并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位完全相同。

圖8 直流母線輸出電壓

圖9 電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流

電壓源型逆變器輸出有功功率的仿真結(jié)果如圖10所示，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，逆變器的輸出功率能夠快速穩(wěn)定地跟蹤光伏電池發(fā)出的功率。仿真模型中，功率因數(shù)為99.8%，轉(zhuǎn)化的諧波含量少，由圖11可以看出，A相電流的總諧波失真(THD)值保持在0.5%左右。

圖10 逆變器輸出有功功率

圖11 A相電流的THD值

4 結(jié)論

本文建立了一個(gè)兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并驗(yàn)證了各個(gè)元件的有效性。仿真結(jié)果表明，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，采用電導(dǎo)增量的控制方法能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤系統(tǒng)最大功率輸出，但是調(diào)節(jié)過程中存在一些振蕩，還需進(jìn)一步改進(jìn)。采用該控制方法能使直流母線電壓穩(wěn)定在750 V左右，并網(wǎng)逆變器輸出電流相位和大電網(wǎng)電壓相位保持一致，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，功率因數(shù)大。

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