王秀蓮，穆俊萍

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

王秀蓮，穆俊萍

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

以雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為研究重點(diǎn)，前級(jí)采用Boost升壓電路，結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)提升光伏陣列的工作效率；后級(jí)為雙閉環(huán)控制的三相電壓型逆變電路，利用LCL濾波器減小并網(wǎng)電流的諧波含量。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，結(jié)果表明：在改變溫度和光照強(qiáng)度的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)(MPP)的準(zhǔn)確跟蹤控制和單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

雙級(jí)式光伏并網(wǎng)；MPPT；電導(dǎo)增量法；雙閉環(huán)

隨著化石能源的挖掘與消耗，能源危機(jī)悄然而至，太陽(yáng)能作為新興能源的優(yōu)勢(shì)漸漸凸顯[1]。與其他發(fā)電系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能具有清潔、無(wú)污染、可再生以及取用不盡等優(yōu)點(diǎn)，但目前仍存在著開(kāi)發(fā)成本高、有效工作時(shí)間低、輸出特性受外界影響大等缺點(diǎn)，同時(shí)光伏并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)也亟待完善[2-4]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣，因地制宜采用合理的結(jié)構(gòu)是節(jié)省投資成本的必要前提，同時(shí)逆變器側(cè)的輸出電流諧波含量過(guò)大，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)造成影響，甚至引起電力系統(tǒng)癱瘓[5]。本文采用目前廣泛使用的并網(wǎng)技術(shù)(MPPT、雙閉環(huán))，針對(duì)小功率模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在改變溫度和光強(qiáng)的情況下，驗(yàn)證MPPT技術(shù)和雙閉環(huán)控制策略的有效性。

1 雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由四部分組成，包括Boost升壓電路、逆變電路、LCL濾波器和電網(wǎng)[6]。光伏陣列發(fā)出的直流電通過(guò)DC/DC電路進(jìn)行提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏系統(tǒng)的MPPT功能；逆變過(guò)程結(jié)合PLL傳遞的相角實(shí)現(xiàn)直-交變換，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同向；LCL濾波電路濾除高次諧波，達(dá)到更好的并網(wǎng)效果。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制

光伏系統(tǒng)高效、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，必須考慮兩個(gè)要素：1)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)MPPT；2)逆變過(guò)程采用有效的控制策略[7]。太陽(yáng)能光伏陣列的輸出特性具有非線性特點(diǎn)，并且輸出受太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度和負(fù)載影響，如圖2～圖5所示。

圖2 溫度不變光強(qiáng)變化下I-U曲線

圖3 溫度不變光強(qiáng)變化下P-U曲線

圖4 光強(qiáng)不變溫度變化下I-U曲線

圖5 光強(qiáng)不變溫度變化下P-U曲線

由圖2～圖3可以看出：保持光伏電池溫度不變，光伏陣列的開(kāi)路電壓隨光照強(qiáng)度的變化不大，而短路電流則隨光照強(qiáng)度有明顯的變化，最大功率點(diǎn)隨光照強(qiáng)度的變化也有明顯的變化；在圖4～圖5中，保持光照強(qiáng)度不變，開(kāi)路電壓線性地隨溫度變化，短路電流有微弱的變化，最大功率點(diǎn)隨溫度變化很大。但只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值。為提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，需使系統(tǒng)保持運(yùn)行在MPP附近[8]。

增量電導(dǎo)法[9]是MPPT控制的常用算法，是一種基于擾動(dòng)太陽(yáng)電池輸出電壓來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)追蹤的一種策略，根據(jù)在最大功率點(diǎn)處dP/dU=0的特點(diǎn)產(chǎn)生，能夠判斷出工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓的關(guān)系。對(duì)于功率P有

P=IU

(1)

式(1)兩端分別對(duì)U求導(dǎo)，可得

dP/dU=d(IU)/dU=I+U(dI/dU)

(2)

式中：P為光伏陣列輸出功率(W)；U為光伏陣列輸出電壓(V)；I為光伏陣列輸出電流(A)。

當(dāng)dP/dU>0時(shí)，UUmax；當(dāng)dP/dU=0，U=Umax。將上述三種情況代入式(2)可得

U-I/U;

U>Umax時(shí)，dI/dU<-I/U;

U=Umax時(shí)，dI/dU=-I/U;

其中Umax為最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏陣列的輸出電壓值。

根據(jù)dI/dU與-I/U之間的關(guān)系來(lái)調(diào)整工作點(diǎn)電壓,實(shí)現(xiàn)MPPT。本文運(yùn)用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)電導(dǎo)增量法的函數(shù)模型，在光強(qiáng)或溫度改變情況下，控制較為精確，響應(yīng)速度快，更接近實(shí)際發(fā)電情況下不確定因素的影響，其函數(shù)模型如圖6所示。

圖6 MPPT仿真模塊

3 逆變器控制策略

3.1 含有LCL濾波器的逆變器數(shù)學(xué)模型

逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)，雙級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用三相電壓型逆變器和雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。首先給出含有LCL濾波器的逆變器數(shù)學(xué)模型，并基于此給出后級(jí)逆變器的雙閉環(huán)控制策略[10]。

根據(jù)圖1列出逆變器在ABC三相靜止坐標(biāo)系下的相關(guān)方程式為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：iia、iib、iic為逆變器輸出電流；iga、igb、igc為網(wǎng)側(cè)電流；uca、ucb、ucc為L(zhǎng)CL濾波器電感間電壓電壓；usa、usb、usc為網(wǎng)側(cè)電壓；uia、uib、uic為逆變器側(cè)電壓；Lg為電網(wǎng)側(cè)濾波電感；Lf為逆變器側(cè)濾波電感；Cf為濾波電容；Cdc為直流側(cè)濾波電容；Udc為直流側(cè)電壓；Rf為逆變器側(cè)濾波電感Lf的內(nèi)阻；Rg為網(wǎng)側(cè)濾波電感Lg的內(nèi)阻。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：各參數(shù)含義對(duì)應(yīng)式(3)～式(6)各參數(shù)在dq坐標(biāo)下的值。ω為角速度。

圖7為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下逆變電路數(shù)學(xué)模型框圖。

圖7 dp坐標(biāo)系下逆變電路數(shù)學(xué)模型

3.2 含有LCL濾波器的逆變器雙閉環(huán)控制策略[11]

由dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可看出d、q軸存在耦合，有功電流igd和無(wú)功電流igq除受控制量uid、uiq影響，還受電網(wǎng)電壓usd、usq及耦合電壓-ωLfiid、-ωLgigd、ωLfiiq、ωLgigq和耦合電流-ωCfucd、ωCfucq的影響，所以需對(duì)d、q軸解耦[12]，使得電流閉環(huán)控制中d、q軸電流指令達(dá)到較為理想的跟蹤效果。為使三階數(shù)學(xué)方程式簡(jiǎn)單化，考慮將LCL濾波器簡(jiǎn)化為單個(gè)電感L進(jìn)行去耦控制[13]。

(12)

(13)

(14)

式中Kp、Ti為PI控制器參數(shù)。

由式(12)～式(14)可得到電壓控制方程為

(15)

圖8為雙閉環(huán)控制策略圖。

圖8 雙閉環(huán)控制策略圖

4 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建額定功率7800W的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體仿真模型[14]，如圖9所示。

4.1 MPPT仿真分析

為驗(yàn)證MPPT控制效果，分兩種情況對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證：(1)保持溫度25℃不變，采用step模塊模擬光強(qiáng)變化。改變光強(qiáng)情況為：0～0.3s，光強(qiáng)為1000W/m2；0.3～0.6s，光強(qiáng)為800W/m2；0.6～1s，光照強(qiáng)度為1000W/m2。光伏陣列輸出功率、電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流、直流側(cè)輸出電壓波形、輸出有功和無(wú)功功率波形如圖10～圖13所示。(2)保持光照強(qiáng)度1000W/m2不變，采用step模塊模擬溫度變化，改變溫度情況為：0～0.3s，溫度為80℃；0.3～0.6s，溫度為25℃；0.6～1s，溫度為80℃。光伏陣列輸出功率、電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流、直流側(cè)輸出電壓波形、輸出有功和無(wú)功功率波形如圖14～圖17所示。

圖9 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體仿真圖

圖10 改變光強(qiáng)時(shí)光伏陣列輸出功率波形

圖11 改變光強(qiáng)時(shí)電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形

圖12 改變光強(qiáng)時(shí)直流側(cè)輸出電壓波形

由圖10～圖17可得，仿真初期，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生短暫波動(dòng)，但很快趨于穩(wěn)定。在圖10中光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨光照強(qiáng)度的升高而升高，表明兩者呈正相關(guān)性，且在較短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，保證有較快的啟動(dòng)跟蹤速度和一定的精度，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤控制。由圖14可得，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨溫度的升高而降低，說(shuō)明兩者呈負(fù)相關(guān)性。系統(tǒng)的輸出功率在溫度發(fā)生改變后可較快恢復(fù)穩(wěn)定，且具有一定的精度，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。分析圖12、16可知，經(jīng)過(guò)MPPT與電壓外環(huán)的控制，直流側(cè)輸出電壓始終保持在760V左右且波動(dòng)不大，為逆變系統(tǒng)的平穩(wěn)輸出提供先決條件。從圖11、15兩圖可以看出，逆變器輸出并網(wǎng)電流三相對(duì)稱、無(wú)較大的諧波，且與電網(wǎng)電壓的相位和頻率同步，驗(yàn)證了鎖相環(huán)與雙閉環(huán)控制策略的有效性。最后根據(jù)圖13、17可知，逆變器輸出的有功功率的大小為額定功率，無(wú)功功率的值基本為零，確保了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以單位功率因數(shù)的形式接入電網(wǎng)。綜合上述分析，在改變光照強(qiáng)度或溫度的情況下，系統(tǒng)均可經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)后逐漸趨于平穩(wěn)，驗(yàn)證了本文所選用的控制策略的有效性。

圖13 改變光強(qiáng)時(shí)輸出有功、無(wú)功功率波形

圖14 改變溫度時(shí)光伏陣列輸出功率波形

圖15 改變溫度時(shí)電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形

圖16 改變溫度時(shí)直流側(cè)輸出電壓波形

圖17 改變溫度時(shí)輸出有功、無(wú)功功率波形

4.2 濾波分析

為驗(yàn)證LCL濾波的優(yōu)越性，在光強(qiáng)1000W/m2、溫度25℃的標(biāo)準(zhǔn)工況下，采用系統(tǒng)仿真時(shí)Powergui模塊中的FFT Analysis對(duì)并網(wǎng)電流諧波在LCL濾波前后效果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖18～圖19所示。

圖18 LCL濾波下并網(wǎng)電流THD波形

圖19 L濾波時(shí)并網(wǎng)電流的THD波形

從圖18～圖19可以看出，經(jīng)過(guò)LCL濾波的并網(wǎng)電流的THD值含量為1.62%，低于5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在0～300Hz頻率段，由于LCL濾波器的諧振作用，THD有所增大，但對(duì)于300Hz以上的高次諧波有很好的抑制效果；而L濾波器的波形THD較大，且在開(kāi)始的頻率范圍內(nèi)諧波很大，不利于并網(wǎng)。通過(guò)對(duì)比可知，加入LCL濾波器并網(wǎng)諧波污染較少。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵部分—最大功率點(diǎn)跟蹤和逆變環(huán)節(jié)的控制策略進(jìn)行研究。通過(guò)Matlab/Simulink仿真證明：在溫度和光強(qiáng)分別發(fā)生變化時(shí)，電導(dǎo)增量法能在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)MPPT，且具有一定的快速性和準(zhǔn)確性；在逆變環(huán)節(jié)，采用了鎖相環(huán)和雙閉環(huán)控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的同頻率同相位；對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行FFT分析，表明選用LCL濾波器的必要性和有效性。本文研究的雙級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)模型為今后研究智能方法在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供參考。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

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

WANG Xiulian,MU Junping

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The two level grid connected PV system is used as the research focus.The front level adopts Boost circuit to improve the efficiency of PV system,which is combined with the maximum power point tracking (MPPT) technology,and the second level is the inverter circuit of three-phase voltage with the double closed loop control,the reducing of the harmonic content of the grid current is put forward by LCL filter.The simulation model is built in Matlab/Simulink.The results show that the accurate tracking control of the maximum power point (MPP) and the power factor of the unit can be achieved with the change of temperature and light intensity. Key words： two level grid connected PV system;MPPT;increment conductance method;double closed loop

2016-07-04

王秀蓮(1965—)，教授，博士，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

1003-1251(2017)03-0070-07

TM615

A