張曉航 ，郝正航，張宏俊，余永元

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽550025)

在全球能源需求和環(huán)境保護的雙重壓力下，分布式光伏發(fā)電越來越得到人們的重視。支持大量分布式光伏電源的合理接入是未來電網(wǎng)發(fā)展的一個重要方向［1，2］。因此，本文介紹了一種適合分布式光伏發(fā)電接入的交直流混合低壓配電系統(tǒng):光伏發(fā)出的直流電直接給直流負載供電，電網(wǎng)的交流電直接給交流負載供電。傳統(tǒng)的交直流混合微網(wǎng)中所采用的雙向DC-AC 換流器使用的是全控型IGBT 器件［3，4］，IGBT 器件相對于半控型晶閘管的損耗大，耐壓值低，而且存在孤島檢測失敗的可能性，所以本文采用的換流器是24 脈波晶閘管換流器。

1 交直流混合低壓配電網(wǎng)的特點

本文所介紹的適合分布式光伏發(fā)電接入的交直流混合低壓配電系統(tǒng)結構有幾個方面的特點:(1)減少電能損失;光伏發(fā)電系統(tǒng)是以直流方式輸出電能，對普通用戶來說，由光伏發(fā)出電能到電器使用一般要經(jīng)過DC-AC-DC 的能量轉(zhuǎn)換過程，此過程中會有電能的損失，而現(xiàn)有家用電器許多使用直流電源驅(qū)動，如果住宅中普及直流家用電器，就可以省去DC-AC-DC 的電能轉(zhuǎn)換過程，據(jù)分析，省去此過程的能耗減少就能達到10% ～20%。(2)具有很好的經(jīng)濟性;可以省去直流電器配備的將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電源裝置，降低設備的制造成本。(3)本文所采用的雙向換流器(DC-AC)采用24 脈波晶閘管換流器;使用這這種換流器主要有兩個方面的優(yōu)點:①可以降低損耗，普通晶閘管的損耗要比IGBT 損耗小得多;②可以避免使用IGBT因孤島檢測失敗而對線路檢修人員的人身安全構成威脅，現(xiàn)在即使孤島檢測的方法有多種多樣，沒有一種方法能絕對可靠，如果交流電網(wǎng)斷電，而孤島檢測失敗，光伏發(fā)出的電能繼續(xù)回饋到交流電網(wǎng)，勢必會給檢修人員的安全構成威脅，而采用24脈波晶閘管換流器可以避免這種情況。交直流混合配電網(wǎng)結構圖如圖1 所示。

圖1 交直流低壓混合配電網(wǎng)結構圖

2 光伏電池模型及最大功率跟蹤

2.1 光伏電池模型

光伏電池是利用半導體材料的光伏效應將所吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它的輸出特性受外界溫度、輻射強度、負載等因素的影響，其中外界溫度變化主要影響光伏電池的輸出電壓，光伏電池的輸出電流主要受光照輻射強度變化的影響［5，6］。光伏電池的等效電路如圖2 所示。

圖2 光伏電池等效電路

由太陽能電池等效電路可以得出太陽能電池的輸出電壓U0和輸出電流I0的關系為:

式中:Iph為光生電流;Ish為光電池反向飽和電流;n 為二極管的理想因子;k 為玻爾茲曼常數(shù);q 為電子電量;Rs為光電池的串聯(lián)電阻;Rsh為光電池的并聯(lián)電阻。本文采用的是工程用光伏電池簡化模型:

在此基礎上，考慮將溫度的變化量

和光照強度的變化量

引入，可得:

式中:Tref= 25·C 和Sref=1000 W/m2分別為標準條件下的環(huán)境溫度和光照強度。e 為自然底數(shù);b=0.5 為常數(shù);c =0.0028·C-1為標準條件下的電壓穩(wěn)定系數(shù);a =0.0028·C-1為標準條件下電流溫度系數(shù);Isc、Uoc、Im、Um分別為光伏電池板短路電流、開路電壓、最大功率點電流、最大功率點電壓。

2.2 光伏發(fā)電最大功率跟蹤(MPPT)

目前，國內(nèi)外出現(xiàn)的MPPT 算法種類比較多，有各自的優(yōu)缺點，其中擾動觀察法(P＆O)和增量電導法(INC)因發(fā)展成熟、控制簡單、精度高而被普遍采用［7］。本文所采用的最大功率跟蹤的方法是增量電導法。下面講述基于Boost 電路的最大功率跟蹤方法原理:

假設電路中所有的元件均為理想元件，電路從輸入到輸出的過程無功率損耗，D 為開關管的占空比。Boost DC-DC 電路如圖3 所示，由電路輸入輸出的電壓關系可知:

圖3 Boost DC-DC 電路變換器原理圖

Boost 電路的輸出往往接蓄電池或者換流器的直流側，如果采樣時間很短的話，Boost 電路的輸出電壓變化很小，可視為恒定，故又可得:

由光伏的功率電壓(P-U)曲線可知，在最大功率點，功率對電壓的倒數(shù)為零，而且在光照強度、溫度等影響光伏電池輸出特性的條件不變的情況下，每個最大功率對應一個電壓。因為Boost 電路輸出的電壓變化很小，所以改變開關管的占空比D就能找到光伏電池在最大功率點電壓，從而使光伏發(fā)電輸出最大功率。

3 24 脈波換流器及其控制系統(tǒng)設計

在交直流混合配電網(wǎng)中，雙向AC/DC 變流器控制著直流母線和交流母線間的功率流動，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定及電能質(zhì)量的提高發(fā)揮著重要作用［1］。雙向AC/DC 變流器可根據(jù)實際需要，工作在整流和逆變模式，在交直流混合配電網(wǎng)功率流動中擔任著重要的支撐和協(xié)調(diào)角色。本文采用的雙向換流器為24 脈波晶閘管換流器。

3.1 脈波換流器原理

24 脈波的4 組整流橋通常有4 組并接方式、4組串接方式和兩組串并接方式，但它們都是通過變壓器將整流器交流側電壓的相位相互錯開15°，從而使輸出整流電壓在每個交流電源周期中脈動24次，而移相繞組和主繞組聯(lián)結方式主要有曲折型、六邊形和外延三角形等。本文采用外延三角形接法，先將主繞組側電壓分別移相+7.5°和-7.5°，然后將這兩個移相繞組各自接到三繞組變壓器，三繞組變壓器采用Y-Y-D 聯(lián)接方式，進而使得4 組整流橋交流側的電壓相位相互錯開15°，其主電路接法如圖4 所示。則各整流橋交流側電壓相位跟主繞組側電壓相位的關系分別為+7.5°、-22.5°、-7.5°、-37.5°。

圖4 24 脈波換流器主電路原理圖

其中，外延三角形聯(lián)接方式的矢量圖如圖5 所示，移相變壓器原邊接成三角形，副邊有兩相繞組［8，9］。下面以第一組繞組為例:如果每相繞組均取其一部分(k2)接成三角形，另一部分繞組(k1)為三角形的延伸，輸出電壓Ua1、Ub1、Uc1 分別為三角形繞組電壓與三角形延伸繞組電壓之和，其相位分別超前輸入電壓Ua、Ub、Uc 的相位為7.5°。副邊第二組繞組也由三角形繞組及其延伸構成，但其接法略有不同，輸出電壓Ua2、Ub2、Uc2 的相位分別滯后輸入電壓Ua、Ub、Uc 的相位7.5°。因此，Ua1、Ub1、Uc1 與Ua2、Ub2、Uc2 分別相差15°。令移相后的合成相電壓為“1”，根據(jù)三角形正弦定律得［10］:

式中:k1，k2 分別為移相繞組電壓，主繞組電壓。

3.2 24 脈波換流器的控制系統(tǒng)設計

聯(lián)網(wǎng)模式時換流器負責維持直流母線電壓的穩(wěn)定。孤島運行時換流器處于斷開狀態(tài)，系統(tǒng)不會向電網(wǎng)饋送電能，可以防止孤島檢測失敗，以提高線路檢修的安全性。

圖5 延邊三角形聯(lián)接方式矢量圖

圖6 是24 脈波換流器閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖，采用恒電壓控制的雙向變流器使得直流母線電壓恒定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。24 脈波整流器輸出電壓Ud 經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)與給定電壓參考信號Ud*作差，其偏差量Ue 經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器和角度調(diào)整環(huán)節(jié)輸出觸發(fā)角參考信號α，并與6 路線電壓同步參考信號一起，經(jīng)過2 個12 脈沖觸發(fā)電路輸出24 個脈沖信號。從而控制直流母線電壓的穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)仿真

本文所采用的光伏電池板每塊為100 W，每塊電池板的參數(shù)為:Isc=6.46 A 短路電流，開路電壓Uoc=21.5 V，最大功率點電流5.71 A，最大功率點電壓Um=17.5 V，光伏板采用每5 塊板串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)的連接方式，總額定功率為1 kW，交流電網(wǎng)額定相電壓有效值設定為220 V，直流母線給定值為88 V。

仿真時，所有仿真波形圖橫坐標均為時間，單位為秒(s)。設置1 s 時當光照強度取500 W/m2變到1000 W/m2，1.5 s 時投入電阻50 Ω、電感為0.1 H 的阻感負載，母線電壓設定為88 V，仿真結果如圖7 -圖11 所示。

功率曲線圖7 和圖8 分別為加最大功率跟蹤時的功率曲線和不加最大功率跟蹤時的功率曲線，由圖可以看出，當光照強度增加的時候，光伏電池板輸出功率都會增大，在1 s 之前，也就是說光照強度為500 W/m2時，可以明顯看出加最大功率跟蹤控制時功率基本能夠達到最大，而不加最大功率跟蹤不能達到最大功率;當光照強度變?yōu)?000 W/m2時，由于設定的母線電壓為88 V，接近光伏電池板達到最大功率時的電壓，所以當光照強度為1000 W/m2時，功率都能達到最大功率。

圖7 加MPPT 時光伏電池板輸出功率曲線

由于功率增大，光伏電池板輸出電壓也會相應的增大，會造成直流母線電壓波動，由于換流器采用恒壓閉環(huán)控制。1.5 s 的時候投入負載也造成觸發(fā)角跟母線電壓的波動，但是很快平穩(wěn)，由圖9 和圖10 可以看出觸發(fā)角和直流母線電壓波動，但是很快平穩(wěn)。

圖8 不加MPPT 時光伏電池板輸出功率曲線

圖9 觸發(fā)角

圖10 直流母線電壓

圖11 是換流器交流側a 相電流曲線圖，由圖可以看出電流一個周期脈動24 次。

圖11 換流器交流側電流局部圖

5 結論

支持大量分布式光伏電源的合理接入是未來電網(wǎng)發(fā)展的重要方向，本文所提出的交直流混合配電網(wǎng)，光伏發(fā)出直流電供給直流負載使用，交流電網(wǎng)供電給交流負載，既能節(jié)省電能又有良好的經(jīng)濟性;本文所采用的最大功率跟蹤能使光伏達到最大功率;24 脈波換流器作為交直流混合配電網(wǎng)的重要組成部分，跟采用6 脈波和12 脈波的晶閘管換流器相比，24 脈波換流器具有較低的網(wǎng)側電流總諧波失真(THD)，在仿真時間2 s 內(nèi)的總諧波失真為0.1%。能滿足電網(wǎng)要求。輸出直流電壓更為平穩(wěn)，而且與其他PWM 全控整流裝置相比，具有開關損耗小、容量大等優(yōu)點。最后仿真結果證明本文所采取的電壓控制策略能維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

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