孫　亮，袁文強(qiáng)，吳長(zhǎng)鵬

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

孫亮，袁文強(qiáng)，吳長(zhǎng)鵬

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：搭建了兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，研究其控制策略，分析光伏并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。前級(jí)首先采用DC/DC升壓環(huán)節(jié)，并配合MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)裝置來(lái)提升光伏系統(tǒng)的工作效率。對(duì)傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了與遺傳算法相結(jié)合的電壓干擾觀測(cè)法，即使外界環(huán)境劇烈變化，該算法都能對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤控制。后級(jí)逆變環(huán)節(jié)采用單相橋式逆變，利用PLL(鎖相環(huán))實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同相位，針對(duì)電網(wǎng)電壓會(huì)對(duì)并網(wǎng)電流造成干擾，提出了電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制。最后利用MATLAB軟件中simulink模塊對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明了方法的可行性。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)；MPPT；遺傳算法；PLL；電壓前饋補(bǔ)償

光伏發(fā)電由于其清潔、無(wú)污染、可再生、取之不盡、用之不竭，以逐漸成為新世紀(jì)能源的新寵，各國(guó)政府也都相繼嗅到太陽(yáng)能市場(chǎng)的巨大潛力，分別在政策和資金上給予了一定的支持和幫助。據(jù)估測(cè)，到21世紀(jì)50年代，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將超過(guò)火力發(fā)電成為世界能源的重要組成部分[1-3]。我國(guó)電網(wǎng)也正在面臨改革，在不久的將來(lái)，我們很可能會(huì)看到居民屋頂被太陽(yáng)能光伏電池板覆蓋，用戶把光伏電池發(fā)出的電能一部分供自己使用，一部分賣(mài)給電網(wǎng)公司來(lái)獲取收益[4]。但是目前光伏電池還存在著高成本低效率等諸多問(wèn)題，光伏并網(wǎng)也存在很多技術(shù)要求。

光伏系統(tǒng)能否高效，準(zhǔn)確的接入電網(wǎng)，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是能否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤；二是逆變環(huán)節(jié)能否采用有效的控制策略。MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)的實(shí)現(xiàn)方法[5-8]有恒壓控制法，電導(dǎo)增量法，干擾觀測(cè)法。恒壓控制法適用于功率小，日照情況穩(wěn)定外界溫度變化小的獨(dú)立光伏系統(tǒng)；電導(dǎo)增量法控制精準(zhǔn)，響應(yīng)快，對(duì)光照強(qiáng)度經(jīng)常發(fā)生改變的情況較為適用，但對(duì)硬件要求很高，制造的價(jià)格較昂貴，不經(jīng)濟(jì)；電壓干擾觀測(cè)法適用于中小功率系統(tǒng)，控制策略簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)參數(shù)檢測(cè)的精度要求不是很高，但是當(dāng)外界環(huán)境劇烈變化時(shí)，并不能對(duì)最大功率點(diǎn)準(zhǔn)確跟蹤。當(dāng)前逆變環(huán)節(jié)[9-10]主要采用電流滯環(huán)、定時(shí)比較、三角波比較等控制方式來(lái)控制并網(wǎng)電流。電流滯環(huán)控制會(huì)導(dǎo)致電流中存在高頻諧波；定時(shí)比較控制不能達(dá)到滿足要求的較高精度；三角波控制實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。

本文設(shè)計(jì)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，控制環(huán)節(jié)易于實(shí)現(xiàn)而且被人們廣泛采用的兩級(jí)式光伏并網(wǎng)模型。前級(jí)利用升壓電路結(jié)構(gòu)，對(duì)光伏陣列發(fā)出的電壓進(jìn)行穩(wěn)定和提升。采用與遺傳算法相結(jié)合的干擾觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。后一級(jí)為逆變環(huán)節(jié)，要求逆變器輸出的電流即時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓，滿足同頻同相的要求，本文采用基于PLL鎖相環(huán)的電壓前饋補(bǔ)償[11-18]法，排除了電網(wǎng)電壓擾動(dòng)帶來(lái)的影響，通過(guò)仿真模型驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了光伏電池的順利并網(wǎng)。

1兩級(jí)式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖1　兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)圖

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)的主電路主要由三部分組成，包括DC/DC[19-20]升壓、DC/AC逆變、LC濾波。第一環(huán)節(jié)光伏陣列發(fā)出的直流電壓通過(guò)升壓斬波電路進(jìn)行提升，同時(shí)該環(huán)節(jié)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)的MPPT功能；第二環(huán)節(jié)進(jìn)行直流到交流的逆變過(guò)程，該環(huán)節(jié)采用單相全橋逆變；第三環(huán)節(jié)將LC濾波通過(guò)環(huán)節(jié)進(jìn)行輸出，濾除高次諧波，把滿足電網(wǎng)要求的交流電輸送給電網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2最大功率點(diǎn)跟蹤控制

針對(duì)電壓干擾法不能應(yīng)對(duì)外界環(huán)境劇烈變化的情況，改進(jìn)了現(xiàn)有的干擾觀測(cè)法，采用一種與遺傳算法相結(jié)合的干擾觀測(cè)法。

遺傳算法是一類以遺傳變異理論為基礎(chǔ)的求解全局優(yōu)化問(wèn)題的仿生型算法。把遺傳算法應(yīng)用于MPPT中，可以使逆變器克服外界環(huán)境的劇烈變化造成的干擾，迅速搜索到最大功率點(diǎn)。下面以升壓電路為例，說(shuō)明這種算法。

遺傳算法的實(shí)現(xiàn)可以分為以下幾步：

① 選取優(yōu)化變量：在升壓電路中，光伏電池板輸出的功率通過(guò)占空比D來(lái)控制，因此遺傳算法優(yōu)化的變量為升壓變換器的占空比。

② 選擇適應(yīng)函數(shù)：適應(yīng)函數(shù)值的大小表征了每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣。在此采用適應(yīng)函數(shù)：

其中Cmax=2500。

③ 選擇操作：選擇的目的是把優(yōu)化的個(gè)體直接遺傳到下一代，或通過(guò)配對(duì)交叉產(chǎn)生新的個(gè)體，再遺傳到下一代。選擇操作是建立在群體中個(gè)體的適應(yīng)度評(píng)估基礎(chǔ)上的。將一個(gè)種群中的N個(gè)個(gè)體按適應(yīng)度函數(shù)值從小到大排序，并取分布概率為：

再根據(jù)上式計(jì)算出個(gè)體概率，采用均勻分布的隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行抽樣選擇。該方法具有零偏差和最小個(gè)體擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

④ 交叉操作：所謂交叉是指把兩個(gè)父代個(gè)體的部分結(jié)構(gòu)加以替換重組而生成新個(gè)體的操作。交叉概率用PC表示。

⑤ 變異操作：變異操作即是對(duì)群體中個(gè)體串的某些基因座上的基因值作變動(dòng)。群體P(t)經(jīng)過(guò)選擇、交叉、變異運(yùn)算之后得到下一代群體P(t+1)。種群中的不同個(gè)體對(duì)整體進(jìn)化的作用是不同的，優(yōu)良個(gè)體之間的基因重組是群體進(jìn)化的決定性力量，較差個(gè)體在種群中是不斷被淘汰的。因此，對(duì)種群中的不同個(gè)體采用不同的變異率，一方面使種群中的優(yōu)良個(gè)體具有較小的變異率，從而能夠得到較好的保持，并通過(guò)交叉重組進(jìn)行優(yōu)良模式的累積；另一方面，種群中較差的個(gè)體能通過(guò)較大的變異率增強(qiáng)種群的探索能力?；谶@個(gè)思想，采用如下變異率：

式中：Pmi為第i個(gè)個(gè)體的變異率；Pmean為具有群體的平均適應(yīng)度的個(gè)體所具有的變異率；Pmax為具有群體的最大適應(yīng)度的個(gè)體所應(yīng)增加的變異率；Fit(t)為第i個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度。

⑥ 終止條件判斷gen=MAXGEN：滿足終止條件后，終止計(jì)算，以進(jìn)化過(guò)程中所得到的具有最大適應(yīng)度個(gè)體作為最優(yōu)解輸出。

遺傳算法使用概率搜索技術(shù)，因此在惡劣環(huán)境中，它仍能準(zhǔn)確搜索到最大功率點(diǎn)，但這也決定了它不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定工作于最大功率點(diǎn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題可以采用遺傳算法與擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的算法。當(dāng)追蹤到最大功率跟蹤點(diǎn)附近時(shí)，采用小步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法追蹤最大功率點(diǎn)。

該算法流程圖如圖2所示：

圖2　與遺傳算法相結(jié)合的干擾觀測(cè)法流程圖

圖3為搭建的最大功率跟蹤控制仿真模型：

圖3　MPPT仿真模型

得到仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。圖4為溫度固定在20 ℃情況下，光照強(qiáng)度1-3 s時(shí)為500 W/m2，3 s后變?yōu)?00 W/m2的輸出功率變化仿真圖。

圖4 光照強(qiáng)度變化后的輸出功率圖圖5 溫度變化后的輸出功率圖

從圖4中可以看出，光伏系統(tǒng)輸出的功率隨光照強(qiáng)度的升高而降低，這說(shuō)明二者呈正相關(guān)性。系統(tǒng)的輸出功率在光照強(qiáng)度發(fā)生改變后較快的達(dá)到了穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)了MPPT。

圖5為光照強(qiáng)度固定在400 W/m2，溫度1-3 s秒時(shí)為20 ℃，3 s后變?yōu)?0 ℃的輸出功率變化仿真圖。

從圖5中可以看出，光伏系統(tǒng)輸出的功率隨溫度的升高而降低，這說(shuō)明二者呈負(fù)相關(guān)性。系統(tǒng)的輸出功率在溫度發(fā)生改變后較快的達(dá)到了穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)了MPPT。

3DC/AC逆變及其控制原理

DC/AC環(huán)節(jié)是光伏系統(tǒng)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)決定光伏系統(tǒng)能否順利并網(wǎng)，由于光伏陣列發(fā)出的是直流電，電網(wǎng)是交流電，因此需完成DC/AC逆變，本文采用單相全橋逆變結(jié)構(gòu)[9]，圖6為逆變器等效電路圖。

圖6　逆變器等效電路圖

圖7　逆變環(huán)節(jié)并網(wǎng)原理控制圖

圖8　電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償電流內(nèi)環(huán)控制圖

根據(jù)KVL列寫(xiě)方程：

經(jīng)過(guò)拉式變換得：

可以得到濾波器的傳遞函數(shù)：

并網(wǎng)電流必須滿足與電網(wǎng)電壓同頻同相，無(wú)諧波干擾，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的對(duì)接。在控制策略上本文提出了一種電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償和鎖相環(huán)(PLL)的共同控制策略。系統(tǒng)總體控制原理圖如圖7所示。

電壓傳感器測(cè)得電網(wǎng)電壓，再通過(guò)PLL獲得和電網(wǎng)電壓Ugrid同頻同相的單位正弦電流函數(shù)，之后利用給定的電流幅值Im和該正弦函數(shù)相乘，得到參考電流Iref，將并網(wǎng)電流Igrid和參考電流Iref對(duì)比，將兩者的差經(jīng)過(guò)PID(比例積分微分)控制，將輸出與三角波比較，得到PWM信號(hào)用來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。

在該控制環(huán)節(jié)，電網(wǎng)電壓Ugrid會(huì)對(duì)并網(wǎng)電流Igrid造成影響，為了消除其對(duì)并網(wǎng)電流的影響，采用了一種電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，從而減少了電壓波動(dòng)帶來(lái)的影響。其控制方案如圖8。

PI控制器的傳遞函數(shù)：

G2(s)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

式中：TPWM為一個(gè)時(shí)間常數(shù)；KPWM為逆變?cè)鲆妗?/p>

因此，光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

當(dāng)電網(wǎng)受到一個(gè)擾動(dòng)ΔU時(shí)，并網(wǎng)電流受到的擾動(dòng)為

當(dāng)加入電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制后：

在MATLAB Simulink環(huán)境中搭建整個(gè)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型，如圖9所示：

圖9　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型

在Simulink中搭建仿真模型，采用LC濾波，最終得到的參考電流仿真圖(圖10)和并網(wǎng)電流仿真圖(圖11)

參考電流和并網(wǎng)電流仿真圖如圖10：

圖10　參考電流和并網(wǎng)電流仿真圖

并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓仿真圖見(jiàn)圖11：

圖11　并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓仿真圖

從以上兩圖可以看出，參考電流波形曲線和并網(wǎng)電流波形曲線基本上重合，輸出的電流為良好的正弦波，并網(wǎng)電流和并網(wǎng)電壓達(dá)到了同頻同相，且并網(wǎng)電流無(wú)明顯諧波。這說(shuō)明本文采取的鎖相環(huán)控制和電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償控制以及LC濾波均取得了良好的效果，使得光伏系統(tǒng)能夠順利并網(wǎng)。

4結(jié)論

本文主要對(duì)光伏并網(wǎng)中的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，MPPT和逆變環(huán)節(jié)的控制策略，對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了與遺傳算法相結(jié)合的電壓干擾法實(shí)現(xiàn)MPPT，通過(guò)仿真驗(yàn)證，在溫度和光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，該方法均能在較短時(shí)間內(nèi)使輸出的最大功率值達(dá)到穩(wěn)態(tài)，實(shí)現(xiàn)MPPT；在逆變環(huán)節(jié)，采用了鎖相環(huán)和電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)墓餐刂撇呗?，仿真后發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓滿足同頻同相，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)。本文搭建的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)模型將會(huì)為今后研究分布式電源接入主動(dòng)配電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)造成的影響打下基礎(chǔ)。

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Modeling of Two Level Grid Connected PV System and Designing the Key Links

SUN Liang，YUAN Wen-qiang，WU Chang-peng

(Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin JIlin 132012)

Abstract：Set up two-stage photovoltaic grid-connected system model，the control strategy and the key technology of photovoltaic grid-connected has been studied.Firstly，the front stage adopt DC / DC boost，and with MPPT (Maximum Power Point Tracking) system to improve the efficiency of the PV system.The traditional MPPT algorithm has been improved，adopted a voltage disturbance observation algorithm which combining with genetic algorithm，even the weather changes greatly，the algorithm is able to accurately track and control the maximum power point.The next stage links adopt single-phase bridge inverter inverts，using the phase-locked loop (PLL) to achieve the grid current and grid voltage have same phase，because of the grid voltage will interfere the grid current，the feedforward compensation of grid voltage has been put forward.Finally，the model using MATLAB simulink simulation software to verify，the method is feasible has been proved.

Key words：Photovoltaic grid-connected；MPPT；Genetic algorithm；PLL；Voltage feedforward compensation

收稿日期：2016-01-18

作者簡(jiǎn)介：孫亮(1973-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：新能源技術(shù).

文章編號(hào)：1005-2992(2016)02-0026-07

中圖分類號(hào)：TM6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A