王文龍

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

0 引 言

當(dāng)今社會對電力的需求持續(xù)增長,電力供應(yīng)不再受限于傳統(tǒng)的火力發(fā)電,為減少化石燃料燃燒發(fā)電對大氣的污染,維持自然環(huán)境可持續(xù)發(fā)展,新能源發(fā)電受到大力推廣和廣泛應(yīng)用[1]。近年來,光伏發(fā)電并網(wǎng)容量增長迅速,對分擔(dān)電力負(fù)荷、促進能源轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和與碳達峰具有重要意義[2]。

光伏發(fā)電受光照因素影響,太陽輻射充足時,電能轉(zhuǎn)化性能優(yōu)越,光照不足時,電力供應(yīng)隨之下降,輸出功率具有較強的隨機性和波動性[3-5]。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用愈發(fā)普及,其對功率控制具有重要作用。文獻[6-8]對光伏發(fā)電的功率最小振蕩控制方法進行研究,探尋有效的控制方法跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率。

該文采用擾動觀察法(perturb and observe, P&O)跟蹤光伏轉(zhuǎn)換器的最大功率點,確定升壓變換器占空比擾動,分析光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流,解耦控制有功功率和無功功率,通過Matlab/Simulink 軟件平臺對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行建模,以驗證該控制策略的有效性。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型

采用Matlab/Simulink軟件平臺構(gòu)建光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型,如圖1所示。繪制光伏發(fā)電系統(tǒng)等值電路,如圖2所示。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型

圖2 光伏電池等值電路

由基爾霍夫電流定律(Kirchhoff's current law, KCL)得

Ipv=Iph-Id-Ishu

(1)

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(3)

式中:Vpv為光伏電池板輸出電壓;Ipv為光伏電池輸出電流;Iph為光生電流;Id為二極管支路電流;Ishu為并聯(lián)電阻支路電流;Isat為二極管飽和電流;Rser為等效串聯(lián)電阻;Rshu為等效并聯(lián)電阻;k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-18J;q為電子電荷,q=1.6×10-19C;t為溫度;n為光伏電池PN結(jié)曲線常數(shù)。

實際工程中,光生電流的計算如下:

Iph=Iph,std[1+k0(Tre-Tstd)]

(4)

(5)

(6)

式中:Tstd為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度,25 ℃;Estd為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下太陽輻射照度,1 000 W/m2;Tre、Ere分別為實際環(huán)境溫度和實際太陽輻射照度;Isc,re、Isc,std分別為實際環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下光伏電池短路電流;Iph,std為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下的光伏電池輸出電流;k0為溫差電流系數(shù)。

直流轉(zhuǎn)換器的數(shù)學(xué)建模為

(7)

(8)

(9)

式中:Vdc為直流電壓;IL為流過電感電流;Vm為直流轉(zhuǎn)換器兩端電壓;L、C為電感、電容值。

使用三相逆變器將光伏電池輸出的直流電壓變換為交流電壓,控制系統(tǒng)輸出的相電壓Van、Vbn、Vcn和線電壓Vab、Vbc、Vca計算式如下。

(10)

(11)

通過式(10)、式(11)可得光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出相電壓為

(12)

2 功率解耦控制

在建立光伏發(fā)電并網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上,為優(yōu)化系統(tǒng)模型的輸出功率,對有功功率和無功功率進行解耦控制,采用擾動觀察法追蹤最大功率點[9]。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率解耦控制策略具體實施流程如圖3所示。

圖3 功率解耦控制實施流程圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率和無功功率的解耦控制如下:

(13)

式中:Vg,d、Vg,q分別為電網(wǎng)電壓的直軸(d軸)和交軸(q軸)分量;Ig,d、Ig,q分別為電網(wǎng)電流的直軸和交軸分量。

令參考坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓同步,Vg,q=0,式(13)可以表示為

(14)

通過電網(wǎng)側(cè)逆變器在控制回路中使用PI調(diào)節(jié)器,獨立控制有功功率Pg和Qg無功功率,參考電流計算如式(15)所示。

(15)

式中:Ig,d,ref、Ig,q,ref分別為電網(wǎng)參考電流的直軸和交軸分量;Kd,P、Kq,P與Kd,I、Kq,I分別為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)和積分參數(shù)。

3 仿真算例分析

利用Matlab/Simulmink軟件平臺搭建光伏發(fā)電并網(wǎng)模型,光伏裝機容量為100 kW,并網(wǎng)電壓等級為10 kV,設(shè)置控制模塊,在圖4所示的溫度和太陽輻射環(huán)境下,對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率解耦控制策略進行仿真分析。

圖4 溫度和太陽能輻射變化

當(dāng)溫度從初始值10 ℃上升到標(biāo)準(zhǔn)溫度25 ℃后保持穩(wěn)定,在溫度和太陽輻射的共同作用下,采樣光伏電池板輸出電壓和電流,如圖5所示。

圖5 光伏電池板輸出電壓和電流

無論溫度和太陽輻射的環(huán)境條件如何變化,三相逆變器的輸入端直流轉(zhuǎn)換器直流電壓Vdc的控制保持在直流參考電壓Vdc,ref(500 V)附近,如圖6所示。

圖6 直流轉(zhuǎn)換器直流電壓

所提出的策略可以實現(xiàn)電網(wǎng)電壓和電流的穩(wěn)定控制,使幅值和頻率保持在一個穩(wěn)定值,如圖7所示。同時,能夠解耦控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功功率和無功功率,在確保有功功率有效持續(xù)輸出的基礎(chǔ)上,盡可能地限制無功功率輸出,如圖8所示。

圖7 電網(wǎng)電壓和電流

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率

4 結(jié) 語

提出采用擾動觀察法追蹤光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率點,實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。仿真算例結(jié)果表明,在溫度和太陽輻射變化環(huán)境下,該策略能夠控制光伏系統(tǒng)直流電壓與參考值保持一致,持續(xù)輸出有功功率的同時,最大程度限制無功功率輸出,驗證了所提策略的有效性。