金愛(ài)娟,徐艷超,李少龍

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093;2.上?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上?！?00093)

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單相光伏發(fā)電并網(wǎng)的研究

金愛(ài)娟1,2,徐艷超1,李少龍1,2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200093)

摘要針對(duì)如何提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率,對(duì)具有最大功率控制的系統(tǒng)進(jìn)行研究,提出了一種雙環(huán)控制方式。并以STM32為控制器,給出了其控制方法。通過(guò)Matlab建模設(shè)計(jì)光伏輸出后的控制系統(tǒng),新的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤與功率因數(shù)校正。仿真表明,該方式具有簡(jiǎn)單、控制方便、效率高的優(yōu)點(diǎn)。并通過(guò)實(shí)物加以驗(yàn)證該方法的可行性,該控制策略可應(yīng)用于單極式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制,且實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效率并網(wǎng)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞單相光伏發(fā)電;最大功率點(diǎn)跟蹤;雙環(huán)PID控制;功率因數(shù)校正

Grid-connected Single-phase Photovoltaic Power Generation

JIN Aijuan1,2,XU Yanchao1,LI Shaolong1,2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Key Lab of Modern Optical System,Shanghai 200093,China)

AbstractA double loop control method is proposed to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system based on the research of maximum power control system.The control method based on STM32 controller is presented.A photovoltaic output control system capable of maximum power tracking and power factor correction is designed through Matlab modeling.Simulation shows that the proposed method has the advantages of simple structure,convenient control and high efficiency.Its feasibility is verified through the material object.The control strategy can be applied to the single-stage photovoltaic grid system with maximum power point tracking control to realize the efficient parallel operation system.

Keywordssingle phase photovoltaic power generation;MPPT;double loop PID control;PFC

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō),典型的MPPT控制模型主要包括光伏陣列模塊、MPPT算法及PWM模塊、 DC/DC變換模塊[1-3]。MPPT模塊主要是控制算法,目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的MPPT算法種類繁多,有各自的優(yōu)缺點(diǎn),其中擾動(dòng)觀察法(P&O)和增量電導(dǎo)法(INC)因發(fā)展成熟、控制簡(jiǎn)單、精度高而被普遍采用[4],PWM模塊輸出用以控制后級(jí)DC/DC電路。DC/DC變換中Buck和Boost變換器效率是最高的[1],Buck作為降壓型實(shí)現(xiàn)高壓變換為低壓,通常光伏陣列輸出電壓等級(jí)較低,若要并網(wǎng),網(wǎng)側(cè)等級(jí)較高,故Buck電路較少用于并網(wǎng)系統(tǒng)。 Boost電路屬升壓型,可將光伏陣列輸出電壓抬高,易于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。同時(shí),Boost電路的阻抗變換功能常用于MPPT控制,驅(qū)動(dòng)也相對(duì)容易。 基于對(duì)光伏發(fā)電MPPT控制模型的分析,采用雙環(huán)PID控制 MPPT法,DC/DC變換器采用Boost升壓變換器,基于以上模塊的分析,研究了基于Boost電路MPPT控制系統(tǒng),并將其應(yīng)用于對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制的分析與研究[5-6]。

1最大功率點(diǎn)跟蹤原理

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)就是通過(guò)一定的控制方法使光伏電池對(duì)外電路輸出達(dá)到在當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率值。光伏電池輸出為直流電能,可將其等效為含有內(nèi)阻r的直流電源,輸出側(cè)接電阻R。由電路原理中的最佳匹配原則,當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí),電路具有最大功率輸出。所以,可通過(guò)合理的控制手段,改變外電路的負(fù)載特性,以達(dá)到和電源內(nèi)阻的匹配。本文通過(guò)DC-DC變換器對(duì)輸出側(cè)電壓的調(diào)節(jié)作用改變外電路的負(fù)載特性。

圖1　功率最大原理

利用DC-DC變換器調(diào)節(jié)直流側(cè)負(fù)載特性,如圖所示。DC-DC變換器在電路中的作用類似于變壓器,通過(guò)其的控制作用,可使變換器的輸入電壓Uin和輸出電壓Uout成固定的比例關(guān)系,假設(shè)為n=Uin/Uout,則輸出側(cè)電流Iout為輸入側(cè)電流Iin的n倍,即n=Iin/Iout,從而有輸出側(cè)電阻R的表達(dá)式為

(1)

由式(1)可得,光伏電池外電路可等效為電阻Rref,大小為n2R。這樣外電路便可簡(jiǎn)化為只有電阻Rref的純電阻電路。如果Rref和電池內(nèi)阻r匹配就可輸出最大功率。所以,只需通過(guò)DC-DC變換器調(diào)整n的大小即可調(diào)節(jié)外電路負(fù)載特性,從而使外電路負(fù)載特性與光伏電池內(nèi)阻匹配。通過(guò)對(duì)DC-DC變換器的分析可知,n與DC-DC變換器的占空比Dc存在相互對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,所以只要調(diào)節(jié)占空比Dc便可調(diào)節(jié)負(fù)載特性,從而控制光伏電池輸出最大功率。

2PFC技術(shù)

PF是功率因數(shù)校正的縮寫,其全稱為Power Factor。國(guó)際符號(hào)為λ,PF的定義為有功功率P和視在功率S的比值[7],公式如下

(2)

式中,P1表示基波做功的功率;S是視在功率。當(dāng)在輸入端加正弦波輸入時(shí),除基波做功功率P1外,其他次諧波做功功率為0,則上式簡(jiǎn)化為

(3)

式中,Vi表示輸入電壓有效值;I表示輸入電流有效值;I1表示輸入電流基波分量有效值;φ表示輸入電壓和輸入電流之間的相位角差值。Kd=I1/I表示波形畸變因數(shù);Kα=cosφ表示相移因數(shù)。

PFC可使交流輸入電流更好地跟隨輸入電壓,使得電流與電壓之間的相位差基本不存在,從而大幅提高了電源的功率因數(shù),減小電網(wǎng)的諧波污染,改善供電質(zhì)量。單級(jí)PFC校正則是將PFC變換和DC/DC變換合為一體,復(fù)合掉一個(gè)功率開關(guān)管,利用一個(gè)功率開關(guān)管和一個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流相位的調(diào)整以及輸出電壓的穩(wěn)定輸出。從而大幅度簡(jiǎn)化了電路,減少了電路元件并降低了成本復(fù)雜度。近年來(lái),單級(jí)PFC校正的研究引起了廣泛關(guān)注。因此,本文采用單級(jí)PFC校正。

3設(shè)計(jì)的總體構(gòu)想

本設(shè)計(jì)模擬光伏并網(wǎng)的運(yùn)行,要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和功率因數(shù)校正。當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí),電路具有最大功率輸出,此時(shí)負(fù)載兩側(cè)的電壓是電源兩端電壓的1/2,所以可對(duì)電源電壓進(jìn)行采樣,通過(guò)改變Boost控制電路開關(guān)管的通斷,使得負(fù)載電壓為電源電壓的1/2,從而改變負(fù)載特性。

對(duì)輸出電壓與電流同樣進(jìn)行采樣,通過(guò)STM32進(jìn)行調(diào)整使得輸出電壓與電流同相位,實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。總體設(shè)想框圖如圖2所示。

圖2　總體設(shè)想框圖

4主電路的設(shè)計(jì)

用直流穩(wěn)壓電源Ud和電阻RL模擬光伏電池,而逆變器部分將使用電壓型單相全橋逆變電路。如圖3所示的電壓型逆變電路有以下特點(diǎn):

(1)直流側(cè)為電壓源,或并聯(lián)有大電容,相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng),直流回路呈現(xiàn)低阻抗;

(2)由于直流電壓源的鉗位作用,交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波,且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān),交流側(cè)輸出電流的波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同[8]。

圖3　主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

濾波電容C的作用是和濾波電感一起用來(lái)濾除輸出電壓中的高次諧波,電容C大,則輸出紋波小。但電容C增大的同時(shí),逆變器的無(wú)功功率也要增加,從而增加了逆變器的電流容量,使系統(tǒng)效率降低。濾波電容的選取原則是在保證輸出紋波滿足要求的情況下,取值盡量小。

由于逆變器輸出調(diào)制波形中的高次諧波主要降在濾波電感兩端,故增加濾波器電感量可更好地抑制低次諧波、減小輸出電流的脈動(dòng)量。然而濾波電感越大,電感電流的變化則越慢,動(dòng)態(tài)時(shí)間越長(zhǎng),波形畸變?cè)絿?yán)重。故電感值的選取,應(yīng)綜合考慮其穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能。選擇合適的氣息以防止負(fù)載時(shí)磁芯的飽和問(wèn)題,且選擇粗導(dǎo)線以降低電阻損耗。

5軟件的控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的搭建是基于STM32為控制芯片。其對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣處理實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。對(duì)輸出電壓電流進(jìn)行采樣實(shí)現(xiàn)鎖頻鎖相,從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。并控制開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)。當(dāng)有過(guò)壓過(guò)流現(xiàn)象時(shí),切斷電路安全可靠,也可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的分部工作。

圖4　最大功率跟蹤

圖5　鎖頻鎖相

注:flag開始設(shè)置0。圖6　中斷控制

6仿真驗(yàn)證

圖7為系統(tǒng)的仿真圖,仿真輸出電壓220 V,頻率50 Hz。從圖8可看出,輸出電壓電流波形平滑符合要求,且電壓電流同頻同相實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。Boost的輸入波形行對(duì)穩(wěn)定為輸入電壓的1/2實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性。圖10為采樣電流與電壓電路實(shí)現(xiàn)鎖頻鎖相的圖形。圖11為實(shí)物做出的小功率驗(yàn)證圖。

圖7　系統(tǒng)的仿真圖

圖8　系統(tǒng)輸出電流電壓波形圖

圖9　Boost輸出電壓波形

圖10　鎖頻鎖相圖

圖11　輸出電流電壓波形

圖11為最終輸出電壓電流波形,可看出,當(dāng)逆變器正常運(yùn)行時(shí),逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相,功率因數(shù)為1,電流THD功率THD用FLUKE 43B質(zhì)量分析儀測(cè)量,電流總諧波含量最大為1.8%,各次諧波均<1.2%。

7結(jié)束語(yǔ)

以STM32 控制芯片為核心,仿真設(shè)計(jì)單相光伏并網(wǎng)逆變器,介紹了MPPT與PFC的工作原理和主回路以及STM32的控制思想。通過(guò)該裝置仿真運(yùn)行,結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的逆變器輸出電流總諧波畸變率低、波形質(zhì)量好,具有工作效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

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中圖分類號(hào)TM615+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)03-130-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.033

作者簡(jiǎn)介:金愛(ài)娟(1972—),女,博士,副教授。研究方向:電力電子非線性及控制。徐艷超(1991—),女,碩士研究生。研究方向:電力電子非線性及控制。

收稿日期:2015- 06- 03