王要强 谢海霞 张美玲 马小勇
(郑州大学电气工程学院,河南 郑州 450001)
两级式光伏并网发电系统功率变换控制研究
王要强谢海霞张美玲马小勇
(郑州大学电气工程学院,河南郑州450001)
本文以光伏并网发电系统为研究对象,研究其中的功率变换拓扑、最大功率跟踪和并网逆变控制策略。仿真结果表明,系统可以跟踪光伏阵列环境条件的变化,准确追踪最大功率点,并且并网电流与电网电压保持同频同相,以单位功率因数向电网输送电能。
两级式;光伏发电;并网逆变;功率变换
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的自然资源,其开发利用对于促进能源的可持续发展,缓解人类对能源需求的激增和生态环境的保护具有重要的意义[1,2]。
并网发电是太阳能开发利用的一种重要形式,近年来得到了国内外专家、学者的广泛关注[3-5]。但是,太阳能作为一种自然能源,受光照、温度等外部环境因素的影响较大[6,7]。因此,如何保证发出的电能能够满足并网规范的要求,而且最大限度、稳定地输送到电网是光伏发电系统的关键内容[8]。
本文以光伏并网发电系统为研究对象,着重围绕其中的电路拓扑、最大功率跟踪和并网控制策略展开,并通过MATLAB对系统进行仿真验证,研究的内容和得到的结论对于光伏并网发电技术的发展具有重要的理论意义和参考价值。
图1为两级式光伏并网发电系统的拓扑结构示意图,其中,图1a为系统总体结构。第一级为Boost升压变换器,由电感Ldc、功率管V0和二极管VD组成,如图1b所示,连接光伏阵列和后级变换单元,完成光伏阵列直流输出电压的抬升和最大功率跟踪功能。第二级为DC/AC并网逆变拓扑,采用三相全控半桥结构,如图1c所示,连接前级升压变换单元与三相交流电网,将直流变换为工频的交流电,通过三相电感以电流的形式注入电网。
假定三相并网电感参数一致,电网电压平衡,并忽略功率桥路中的寄生参数因素,可以得到两相同步旋转坐标系下的并网逆变器数学模型为:
式(1)中,L为并网滤波电感;ω为电网电压角频率;id、iq为并网电流在d、q轴上的分量;sd、sq为开关函数的d、q轴表示形式。
图1 两级式光伏并网发电系统拓扑
为尽可能地发挥光伏阵列的发电效能,在Boost升压环节的控制器中加入最大功率跟踪环节,以使系统能最大限度地向电网输送电能。
图2为基于电导增量法的最大功率跟踪算法流程图。图2中,U(k)、I(k)分别为k时刻光伏阵列电压、电流采样值;U(k-1)、I(k-1)分别为(k-1)时刻的电压、电流值;∆U为电压调整步长。
三相静止坐标系下的直接电流控制策略物理概念清晰,并且在单相与三相并网逆变中均适用,但指令电流为具有一定频率、幅值和相角的正弦时变信号,不利于控制系统的设计,且不易实现并网电流的无静差控制。
图2 电导增量最大功率跟踪算法
相比之下,两相同步旋转坐标系下的直接电流控制策略的指令电流为直流时不变信号,可以实现并网电流的无静差控制,同时能够对无功和有功电流进行独立控制,便于注入电网有功能量和无功能量的解耦控制。
图3为两相同步旋转坐标系下并网逆变控制策略的基本框图,主要包括以下几个部分:①参考给定,直流电压给定和q轴电流给定;②反馈测量,直流电压udc,三相电网电压ea、eb、ec和三相并网电流ia、ib、ic;③调节器,电压外环和电流内环中的调节器,在此均采用PI环节;④坐标变换,三相并网电流clark、park变换和逆变器输出电压指令的park反变换;⑤PWM调制,将双环控制的输出量,即逆变器输出电压在两相静止坐标系下的参考信号,通过SVPWM模块转换成6路合适的PWM控制信号,驱动功率桥路;⑦同步锁相,采样得到的三相电网电压送入同步锁相环节PLL,得到电网电压同步角θ。
以直流电压外环的输出信号为有功并网电流的给定信号,无功并网电流的给定信号设置为0,给定电流与实际电流相比较后,送入PI电流调节器,电流调节器的输出加入解耦环节和电网电压前馈环节后,为两相同步旋转坐标系下的并网逆变器交流输出电压参考信号,经过park反变换后送入SVPWM模块,然后产生驱动功率桥路的PWM信号。
图3 并网逆变控制策略原理框图
为验证光伏并网发电系统功率变换拓扑及其控制策略的正确性和有效性,在MATLAB/simulink环境下搭建系统的仿真模型,进行仿真研究。仿真中,光伏阵列的短路电流为3.45A,开路电压为43.50V,最大功率点电流为3.15A,最大功率点电压为35.00V。设定温度在0~0.1s为25℃,0.1~0.2s骤降至0℃,0.2~0.3s又突增至25℃。
图4为基于电导增量最大功率跟踪算法的仿真结果。由图4可以看出,系统在光伏阵列外部温度发生突变时,光伏电池输出功率能够随着光伏电池输出电压、电流的变化而变化,第一突变阶段在0.02s时达到光伏阵列的最大功率点,并可以稳定地以最大功率向网侧功率变换单元输送能量。
图4 最大功率跟踪算法的仿真输出曲线
设定并网逆变环节的开关频率为10kHz,电网电压幅值为311V,电网电压频率为50Hz,直流母线电压为550V。图5为电网电压和并网电流的对比仿真波形。由图5可以看出,并网电流变化平滑,正弦度好,且与电网电压保持同频、同相,能够以单位功率因数向电网输送电能。
图5 并网电流和电网电压
本文以两级式光伏并网发电系统为研究对象,对其中的电路拓扑、最大功率跟踪和并网逆变控制等关键环节进行了研究,并对研究内容进行了仿真验证。结果表明,系统可以跟踪光伏阵列环境条件的变化,能够准确追踪最大功率点,以最大功率向电网输送电能,并且并网电流与电网电压保持同频同相,功率因数高。本研究结果可以为光伏发电领域的理论发展及其在工程实践中的应用提供借鉴与参考。
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Power Conversion Control of Two-stage PV Grid-connected Generation System
Wang YaoqiangXie HaixiaZhang MeilingMa Xiaoyong
(School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou Henan 450001)
Two-stage PV grid-connected generation system was taken as the research object,the power conversion topology,maximum power point tracking and grid connected inverter control strategy were investigated.Simulation results showed that,the system could track the variation of the PV array outer environment factors,and then track the maximum power point of PV array accurately,the grid current could be the same frequency and phase with the grid voltage,the electrical power was conveyed into grid with unit power factor.
two-stage;PV generation;grid-connected inverter;power conversion
TM615
A
1003-5168(2016)06-0144-03
2016-05-16
国家自然科学基金(51507155);中国博士后科学基金(2013M541990);河南省基础与前沿技术研究计划项目(152300410046);河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A470002);河南省产学研合作项目(142107000060);郑州大学专业学位研究生教学案例项目(YJSAL201507)。
王要强(1982-),男,博士,研究方向:新能源发电、电力控制与传动技术。