王 鵬

(甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

近年來,光伏發(fā)電受到越來越多企業(yè)的關(guān)注,作為一種可解決能源危機(jī)和減少公共環(huán)境污染的有效能源,開始得到了大力發(fā)展。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電的功能。光伏發(fā)電具有間歇性和容量利用率低的問題。但是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與有源電力濾波器(active power filter,APF)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法(電流控制)相似,可以進(jìn)行統(tǒng)一控制,即光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)。在光照充足時,光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不僅給本地區(qū)供電,并且把多余的電能送入電網(wǎng)。但在電網(wǎng)電能比較差的地區(qū)(電網(wǎng)中存在大量的無功和諧波),為了提高這一區(qū)域的電能質(zhì)量,光伏并網(wǎng)功率系統(tǒng)能夠在進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電的情況下補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波和無功。這樣既減少了APF設(shè)備的投資成本,又能有效解決并網(wǎng)逆變器利用率較低的問題。

在光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)與APF的雙重功能,關(guān)鍵是電流給定信號的合成與電流信號的跟蹤控制。文獻(xiàn)[1]采用給定信號直接合成的方法,但是沒有考慮系統(tǒng)的容限問題。文獻(xiàn)[2]提出一種負(fù)載辨識信號合成的方法。該方法首先判斷負(fù)載是重負(fù)載還是輕負(fù)載,通過判斷負(fù)載的性質(zhì)來執(zhí)行不同的信號合成算法。這種方法執(zhí)行比較復(fù)雜,影響程序執(zhí)行的效率。本文提出一種新的電流信號合成算法,能夠根據(jù)外界環(huán)境調(diào)整給定信號,達(dá)到切換工作狀態(tài)的目的。在電流控制環(huán)節(jié)加入功率前饋,使直流端功率輸入有較大變化時,逆變器能夠及時調(diào)整輸出功率,減小因母線電壓的堆積或者不足而引起的電壓波動[3]。

1 光伏并網(wǎng)功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其控制結(jié)構(gòu)主要由三個部分組成:光伏電池板模塊、DC/DC升壓電路和逆變器。光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤算法(maximum power point tracking,MPPT)通過檢測光伏電池的輸出電壓Uin和Iin判斷光伏電池最大功率點(diǎn),用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)控制算法控制DC/DC 變換器的占空比來實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤。其中:Cin為光伏電池輸出端口電容;Cdc為直流母線穩(wěn)壓電容。在后級網(wǎng)側(cè)控制器中,將直流母線電壓值與直流母線電壓給定差值進(jìn)行比例積分(proportional integral,PI)控制算法比較,得到光伏并網(wǎng)電流給定值、基于瞬時無功理論的d-q諧波及無功電流檢測法檢測出諧波給定信號,以及無功給定信號。電流信號合成算法將光伏并網(wǎng)電流給定值諧波給定信號和無功給定信號通過運(yùn)算得到合成電流信號給定值,再通過電流跟蹤控制算法和正弦波脈寬調(diào)制(sine wave pulse width modulation,SVPWM)算法對給定電流信號進(jìn)行跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)和諧波無功補(bǔ)償功能[4]。

圖1 光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the photovoltaic grid power control system

兩級式光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)中的升壓電路的控制比單級式控制結(jié)構(gòu)更靈活。前級DC/DC 變換器環(huán)節(jié)與后級逆變器環(huán)節(jié)由獨(dú)立的算法進(jìn)行控制,所以系統(tǒng)前后級間耦合不是很緊密,系統(tǒng)控制易于實(shí)現(xiàn)和設(shè)計。另外,采用有前級DC/DC 變換器的兩級光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng),可保證系統(tǒng)在光伏電池陣列輸出電壓盡可能寬的條件下工作,提高了系統(tǒng)中能量的利用效率[5]。

2 諧波、無功電流檢測與并網(wǎng)給定電流信號的合成

光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)既能夠進(jìn)行光伏并網(wǎng),又能完成諧波和無功補(bǔ)償。這是因?yàn)橄到y(tǒng)控制電流給定信號中包含并網(wǎng)電流給定信號分量、諧波電流給定信號分量和無功給定信號分量?；谒矔r無功理論的諧波與無功電流檢測方法具有快速性和精確性高的優(yōu)點(diǎn)。并網(wǎng)指令電流信號是通過基于瞬時無功理論[6]的d-q諧波及無功電流檢測法適當(dāng)改變其結(jié)構(gòu),使諧波及無功指令電流與光伏并網(wǎng)有功電流合成并網(wǎng)指令電流信號。基于瞬時無功理論d-q法合成的電流通過有功指令電流、諧波電流、無功電流進(jìn)行疊加。由于光伏發(fā)電具有間歇性且電網(wǎng)電能質(zhì)量狀況是變動的,光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)可以工作在以下幾個工作狀態(tài):光伏并網(wǎng)逆變并進(jìn)行諧波、無功補(bǔ)償;光伏并網(wǎng)逆變并諧波補(bǔ)償;單獨(dú)進(jìn)行光伏并網(wǎng)逆變;當(dāng)夜晚或者陰雨天氣時,光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)可以單獨(dú)進(jìn)行諧波補(bǔ)償或者無功補(bǔ)償。本文研究的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過設(shè)置參數(shù)達(dá)到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制模式的目的[7]。

光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)給定電流合成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏功率控制系統(tǒng)給定電流合成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The given current composite structure photovoltaic power control system

圖2 中:ia、ib、ic分別為負(fù)載電流;K1、K2為瞬時無功理論諧波和無功檢測中引入的選擇器KPV功率前饋比例系數(shù);PLL 為鎖相環(huán)。采用離散傅里葉算法(discrete Fourier transform,DFT)計算該電網(wǎng)周期的電網(wǎng)電壓有效值。假設(shè)三相負(fù)載是非線性負(fù)載,則負(fù)載電流數(shù)學(xué)表達(dá)式為[8]:

對式(1)進(jìn)行Clark 變換,得:

將式(1)代入式(2),可得:

在α-β坐標(biāo)系下的iα和iβ經(jīng)過T2r/2s變換得到dq坐標(biāo)系下的有功分量id和無功分量iq,再通過低通濾波器(low pass filter,LPF)得到電流的基波有功分量和無功分量。則電網(wǎng)電流諧波分量和無功分量為:

如圖2 所示,并網(wǎng)電流給定信號為:

通過控制K1、K2,可以實(shí)現(xiàn)以下幾個工作狀態(tài)[9]。

①當(dāng)白天陽光充足,電網(wǎng)中有大量的無功和諧波時,系統(tǒng)需要工作在光伏并網(wǎng)逆變且進(jìn)行諧波無功補(bǔ)償狀態(tài),可設(shè)定K1=1、K2=0。此時,由圖2 可知:=0。則系統(tǒng)指令電流信號為:

②當(dāng)白天陽光充足,電網(wǎng)中有大量的諧波時,系統(tǒng)需要工作在光伏并網(wǎng)逆變且進(jìn)行諧波補(bǔ)償狀態(tài),可設(shè)定K1=1、K2=1。此時=1,則系統(tǒng)指令電流信號為:

③當(dāng)白天陽光充足、電網(wǎng)中有大量的無功時,系統(tǒng)需要工作在光伏并網(wǎng)逆變且進(jìn)行無功補(bǔ)償狀態(tài),可設(shè)定K1=0、K2=1。此時=1,則系統(tǒng)指令電流信號為:

④當(dāng)白天陽光充足,電網(wǎng)不需要進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償時,系統(tǒng)只需要進(jìn)行光伏并網(wǎng)逆變狀態(tài),可設(shè)定K1=0、K2=0。此時=0,則系統(tǒng)指令電流信號為:

3 并網(wǎng)電流控制算法

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)中,并網(wǎng)電流的有功部分為光伏系統(tǒng)輸出的最大功率。當(dāng)光照不斷變化時,光伏系統(tǒng)最大功率也隨之發(fā)生變化,進(jìn)而引起直流側(cè)功率輸入發(fā)生變化。此時,系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)生了不穩(wěn)定變化。針對以上問題,本文提出在電流控制環(huán)節(jié)加入功率前饋,使后級逆變器能夠快速響應(yīng)前級Boost變換器輸入功率的變化。如圖(2)所示,PPV為前級輸入功率,PNB為逆變器輸出功率,Us為DFT 電網(wǎng)相電壓有效值[10-11]。

根據(jù)輸入功率等于輸出功率,將式(6)和式(7)變形,可得:

因此,可以計算出功率前饋電流給定值:

式中:kpv=,k為功率前饋比例系數(shù),考慮開關(guān)管有功損耗。

電壓外環(huán)采用PI 調(diào)節(jié)器穩(wěn)定直流側(cè)電壓。將直流側(cè)參考電壓和直流側(cè)測量電壓Udc的差值作為PI 控制器的輸入,進(jìn)行比例積分運(yùn)算輸出,通過限幅后獲得直流側(cè)電壓外環(huán)調(diào)節(jié)量輸出,將電流幅值指令和前饋電流幅值指令相加,可得到電流內(nèi)環(huán)并網(wǎng)電流有功給定值

4 仿真研究

用光伏電池模型來模擬光伏電站,并在Matlab/Simulink 仿真平臺中搭建標(biāo)況下額定功率為100 kW光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the system

仿真過程中,主要驗(yàn)證電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制性能。為了使諧波補(bǔ)償功能有更好的效果,光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤采用電導(dǎo)增量法,負(fù)載為三相不可控整流器并聯(lián)三相阻性負(fù)載。諧波檢測環(huán)節(jié)采用瞬時無功功率法,以及靜止坐標(biāo)系下SVPWM 調(diào)制策略。本地負(fù)載呈阻感性,初始值ZL=10+j2。

系統(tǒng)獨(dú)立到并網(wǎng)時,無功補(bǔ)償電流電2 壓波形如圖3 所示。

圖3 無功補(bǔ)償電流電壓波形Fig.3 Reactive power compensation current and voltage waveforms

圖3 中,初始t=0 s 時,設(shè)定光照強(qiáng)度為0 W/m2、設(shè)定K1=1、K2=0,系統(tǒng)進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償無并網(wǎng)功能;t=0.3 s 時,光照強(qiáng)度變?yōu)?00 W/m2,系統(tǒng)工作狀態(tài)改變?yōu)椴⒕W(wǎng)并且進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償。直流側(cè)參考電壓設(shè)定為 800 V。從圖3 中可以看出,系統(tǒng)既能夠進(jìn)行單獨(dú)的諧波補(bǔ)償,又能在諧波補(bǔ)償和無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)功能,且電流總諧波畸變率(total harmonic distortion,THD)低于2%。

由圖4 可知:當(dāng)初始t=0 s 時,設(shè)定光照強(qiáng)度為800 W/m2、K1=0、K2=0,此時系統(tǒng)工作在光伏并網(wǎng)功能,不進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償;t=0.3 s 時,設(shè)定K1=1、K2=0,光照強(qiáng)度不變,系統(tǒng)工作狀態(tài)改變?yōu)閷?shí)現(xiàn)諧波和無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r進(jìn)行光伏并網(wǎng)。從圖4 中可以看出,在0.3 s 以前電網(wǎng)電流中諧波含量比較大;在對K1值進(jìn)行0.3 s 的調(diào)節(jié)以后,電網(wǎng)電流中的諧波含量明顯下降,電流的總諧波畸變率THD 低于2%。

圖4 系統(tǒng)在并網(wǎng)中諧波無功補(bǔ)償電流電壓波形Fig.4 Harmonic reactive power compensation current and voltage waveforms

有/無功率前饋環(huán)節(jié)系統(tǒng)直流電壓波形如圖5所示。

圖5 有/無功率前饋環(huán)節(jié)系統(tǒng)直流電壓波形Fig.5 DC voltage waveforms of have or no power feed-forward system

由圖5 可知:當(dāng)t=0 s 時,系統(tǒng)啟動,初始光照強(qiáng)度為300 W/m2;當(dāng)t=0.3 s 時,光照強(qiáng)度變?yōu)? 000 W/m2。如圖5(a)所示,母線波動比較大,穩(wěn)定調(diào)節(jié)時間比較長。但是加入功率前饋后,如圖5(b)所示母線電壓波動明顯小,調(diào)節(jié)時間變小。在穩(wěn)態(tài)條件下,直流側(cè)電壓穩(wěn)定在800 V 附近,電流THD 低于2%。

5 結(jié)論

本文針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器工作存在間歇性和容量利用低的情況,對并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,提出了一種改進(jìn)型的并網(wǎng)電流合成方法,并通過控制K1、K2值調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)。本文在傳統(tǒng)電流跟蹤控制環(huán)節(jié)增加了功率前饋,通過改進(jìn)傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)功率控制系統(tǒng)中電流給定算法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能夠根據(jù)天氣和電網(wǎng)電能質(zhì)量的狀況進(jìn)行工作狀態(tài)的切換,使系統(tǒng)響應(yīng)速度有所提高。最后,在Matlab 中搭建100 kW 的仿真平臺,驗(yàn)證了該控制策略的正確性。