沈陽(yáng)工程學(xué)院新能源學(xué)院 王 巖 郭 瑞 王帥杰 王殿明

大功率興伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究

沈陽(yáng)工程學(xué)院新能源學(xué)院 王 巖 郭 瑞 王帥杰 王殿明

隨著太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展，大功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究成為了技術(shù)熱點(diǎn)。本文針對(duì)傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開(kāi)了深入的研究，設(shè)計(jì)了大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。在并網(wǎng)硬件方面本文選用了單級(jí)式能量變換結(jié)構(gòu)的三相電壓型全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并網(wǎng)變流器的核心結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)只存在DC/AC環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本，同時(shí)單次能量轉(zhuǎn)換也避免了能量在變換過(guò)程的損耗，提高了系統(tǒng)的效率。在軟件控制策略方面，本文首先建立了光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型，其次利用雙閉環(huán)控制方式對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行SVPWM的控制，同時(shí)針對(duì)光伏發(fā)電最大功率跟蹤問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)的爬山法尋優(yōu)的策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了尋優(yōu)的速度與精度。為了驗(yàn)證本文所提出的理論的正確性，在280kW光伏發(fā)電并網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)所設(shè)計(jì)的變流器器進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明變流器輸出滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?；光伏陣列；并網(wǎng)變流器

1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電的迅速發(fā)展,大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)成為了研究熱點(diǎn)。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)(如圖1所示)中關(guān)鍵問(wèn)題存在于兩個(gè)方面,其一為大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究,選取合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是設(shè)備硬件的基礎(chǔ),重點(diǎn)在于可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行和減少系統(tǒng)的能量損耗,使光伏發(fā)電效率最大化;其二為分布式的MPPT技術(shù)即大規(guī)模太陽(yáng)能電池板最大功率跟蹤技術(shù)。MPPT控制技術(shù)主要分為集中式控制和分散式控制,目前集中式控制方式相對(duì)比較成熟,也是最為廣泛控制技術(shù)但針對(duì)大功率的光伏電站,集中式控制不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制需要,效率較低,分布式控制技術(shù)是未來(lái)研究的熱點(diǎn)[1]。

圖1 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏并網(wǎng)變流器作為光伏發(fā)電并網(wǎng)的核心器件,其結(jié)構(gòu)及效率決定了光伏并網(wǎng)的效率。本文在針對(duì)光伏并網(wǎng)變流器常規(guī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)深入研究的基礎(chǔ)上,選取了三相電壓型全橋逆變器,能量變換結(jié)構(gòu)采用單級(jí)式變換形式構(gòu)成光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用此設(shè)計(jì)方案的原因?yàn)?針對(duì)大功率光伏并網(wǎng)變流器損耗成為了影響系統(tǒng)效率的重要因素,此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不存在DC/DC直流升壓變換環(huán)節(jié),系統(tǒng)的能量變換環(huán)節(jié)只存在DC/AC逆變環(huán)節(jié),在硬件的成本和設(shè)備體積兩個(gè)方面都大幅度降低,同時(shí)由于只存在一個(gè)能量變換環(huán)節(jié),系統(tǒng)的器件損耗減少,并網(wǎng)效率提高。同時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身相比于軟開(kāi)關(guān)逆變器和三電平逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,更方便與在工程應(yīng)用中實(shí)際推廣使用。

2 光伏系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

為了更好的對(duì)變流器控制策略即太陽(yáng)能光伏電池最大功率跟蹤的研究,本文首先建立了光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:Ig為光生電流;Isat為二極管反向飽和電流;Io為光伏電池輸出電流;Vo為光伏電池輸出電壓;T 為光伏電池溫度;q為電子電荷量;A為常數(shù);Rs為光伏電池等效串聯(lián)電阻;K為玻爾茲曼常數(shù);Rsh為光伏電池等效并聯(lián)電阻。通過(guò)該數(shù)學(xué)模型公式我們可以得出一下結(jié)論:電池板光生電流和電池板的面積及輻射強(qiáng)度成正比;二極管飽和電流和管件特性有關(guān);光伏電池板的等效并聯(lián)電阻實(shí)際是電池板內(nèi)部漏電流的等效,經(jīng)過(guò)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證該電阻值一般在千歐以上,在控制中可以忽略其影響［2］［3］。

在針對(duì)光伏并網(wǎng)變流器的建模方面,由于本文采用的三相電壓型整流器結(jié)構(gòu)PWM的控制方式,考慮到最終的控制模式,數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)三相到兩相變換,兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系的變換最終表示方式為:

其中Udc為直流母線(xiàn)電壓,R為等效濾波電感和開(kāi)關(guān)器件損耗的等效;L2為交流濾波電感,C為直流支撐電容。

3 系統(tǒng)控制策略及算法

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤控制

在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,控制策略首先考慮的為太陽(yáng)能電池板的最大功率跟蹤問(wèn)題,即控制太陽(yáng)能電池板始終處于最大功率的發(fā)電狀態(tài)。在傳統(tǒng)的最大功率跟蹤策略中爬山法為經(jīng)典算法,算法意義為在太陽(yáng)能池板正常工作時(shí),以電壓作為擾動(dòng)量,輸出功率作為觀測(cè)量,系統(tǒng)不斷的進(jìn)行擾動(dòng),以尋求系統(tǒng)的輸出最大值。具體控制過(guò)程為在某一時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)加載電壓增幅的擾動(dòng),觀測(cè)系統(tǒng)輸出功率的變化,如果系統(tǒng)輸出功率變大,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)并不處于最優(yōu)工作點(diǎn),同時(shí)系統(tǒng)的尋優(yōu)擾動(dòng)方向正確,系統(tǒng)電壓增幅擾動(dòng)繼續(xù),直至系統(tǒng)輸出功率不再增大,系統(tǒng)處于最優(yōu)工作點(diǎn);同理當(dāng)加載的增幅電壓帶來(lái)的是系統(tǒng)功率下降,說(shuō)明系統(tǒng)需要的是降壓擾動(dòng),尋優(yōu)過(guò)程同理與升壓擾動(dòng)。傳統(tǒng)爬山法的尋優(yōu)策略其優(yōu)點(diǎn)在于控制策略簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但不斷的尋優(yōu)過(guò)程將造成無(wú)法避免的功率損失,降低了系統(tǒng)的效率,同時(shí)跟蹤過(guò)程中最初始的尋優(yōu)時(shí)間較長(zhǎng),電壓擾動(dòng)量確定困難,針對(duì)以上問(wèn)題,本文對(duì)傳統(tǒng)的爬山法進(jìn)行了以下改進(jìn):

(1)采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)策略,在系統(tǒng)編程時(shí)設(shè)定尋優(yōu)的最大擾動(dòng)值和最小擾動(dòng)值,當(dāng)系統(tǒng)輸出功率與設(shè)定相差較大時(shí),采用最大擾動(dòng),逐步減小擾動(dòng)量,提高系統(tǒng)的尋優(yōu)過(guò)程速度。

圖2 系統(tǒng)控制原理框圖

(2)在功率計(jì)算過(guò)程中,系統(tǒng)計(jì)算采用放大計(jì)算方式,從而提高系統(tǒng)的計(jì)算精度,系統(tǒng)具體的控制原理框圖如圖2所示。

3.2 雙閉環(huán)控制

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)變流器的控制策略,本文采用雙閉環(huán)控制方式,即內(nèi)環(huán)電流控制,外環(huán)電壓控制方式,具體控制原理框圖如圖3所示[5]。電流內(nèi)環(huán)控制策略為變流器的輸出電流與跟定電流比較,電壓外環(huán)控制為直流母線(xiàn)電壓與給定電壓比較,比較反饋進(jìn)入系統(tǒng),d軸分量控制即為系統(tǒng)的直流電壓,q軸分量控制系統(tǒng)的功率因數(shù),針對(duì)系統(tǒng)的反饋結(jié)果進(jìn)行PI調(diào)節(jié),利用SVPWM的控制方式,控制變流器的開(kāi)關(guān)器件的通斷,實(shí)現(xiàn)針對(duì)變流器的控制方式。

圖4 光伏陣列輸出特性曲線(xiàn)

4 仿真和試驗(yàn)分析

4.1 光伏陣列輸出特性仿真

針對(duì)本文所提出的控制策略,在光伏電池板最大功率跟蹤方面,利用matlab軟件進(jìn)行了系統(tǒng)功率跟蹤精度仿真試驗(yàn),輸入?yún)?shù)為實(shí)際光伏池板參數(shù),仿真軟件顯示I-V、P-V曲線(xiàn)如圖4所示,從圖中可以得到最大功率Pm=252.1kW,此時(shí)電壓Um=604.7V,電流Im=417A。如圖5所示為經(jīng)過(guò)系統(tǒng)編程本文的控制策略,仿真得出的系統(tǒng)直流電壓、電流波形和變流器直流輸入功率波形。從圖5 (a)中可以得到直流功率Pm為253kW,圖(b)為此時(shí)電壓與電流,證明了本文的控制策略可以快速精確的實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖5 直流功率和電壓、電流波形

4.2 并網(wǎng)變流器輸出試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略共同組成的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)即并網(wǎng)變流器的效率,在280kW光伏并網(wǎng)試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)變流器性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)條件為變流器為56路光伏組串聯(lián)接入,電池板自然條件無(wú)遮擋,15°傾角平鋪。圖6為系統(tǒng)工作在額定功率時(shí),通道1為交流A相電流波形,通道2為交流B相電流波形,通道3為交流C相電流波形,通道4為直流電壓波形。從圖中可見(jiàn)直流電壓為600V,三相交流電流分別為378A、 380A和376A。在工程應(yīng)用中變流器的硬件電路存在著器件差異和控制策略等因素,試驗(yàn)結(jié)果為三相電流平衡。

圖6 直流電壓及交流電流波形

在試驗(yàn)中,以A相作為系統(tǒng)諧波影響研究對(duì)象,得到并網(wǎng)總諧波電流為9.3A。工程要求諧波電流小于滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)總電流的4%,可見(jiàn)本文所設(shè)計(jì)的變流器滿(mǎn)足系統(tǒng)要求可以作為實(shí)際工程應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開(kāi)了深入的研究,設(shè)計(jì)了大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。在并網(wǎng)硬件方面本文選用了單級(jí)式能量變換結(jié)構(gòu)的三相電壓型全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并網(wǎng)變流器的核心結(jié)構(gòu),在軟件控制策略方面,首先建立了光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型,利用雙閉環(huán)控制方式對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行SVPWM的控制,同時(shí)針對(duì)光伏發(fā)電最大功率跟蹤問(wèn)題,本文在傳統(tǒng)的爬山法尋優(yōu)的策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了尋優(yōu)的速度與精度。最后通過(guò)對(duì)280kW的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)性能較好,輸出效率較高,滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求。

［1］吳洪洋.高功率多電平變換器的研究和應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng),2000,30(2):7-12.

［2］Martin A.Green.太陽(yáng)能電池工作原理［J］.技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用,2010(1).

［3］王平.太陽(yáng)電池測(cè)試儀中數(shù)學(xué)模型的建立［J］.儀器儀表學(xué)報(bào),2002(4).

［4］劉志華,康現(xiàn)偉,于克訓(xùn).SVPWM整流器的三種矢量合成方法及其比較［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2005,27(2).

［5］許傲然,張柳,劉峰,張翼.Crowbar電路在低電壓穿越技術(shù)中的研究［J］.沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(1):35-37.

本文受沈陽(yáng)工程學(xué)院2014年科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：LGXS-1401）資助完成。

郭瑞（1977—），沈陽(yáng)工程學(xué)院新能源學(xué)院副教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)新能源及分布式發(fā)電。