光伏并網(wǎng)逆變器控制方法的仿真研究

朱湛

中圖分類號:TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1673-0992(2009)12-019-02

摘要:文章分析了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成,介紹了光伏發(fā)電的并網(wǎng)運行。針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵部件—逆變器的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行了詳細(xì)分析,并對一種采用滯環(huán)電流跟蹤控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果證明了該控制方法的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞:光伏并網(wǎng);滯環(huán)電流跟蹤控制;MATLAB仿真

一、引言

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的綠色能源,太陽能光伏發(fā)電是一種將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電技術(shù)。太陽輻射能經(jīng)光儀器件轉(zhuǎn)換為電能,再經(jīng)過能量存儲、控制、變換等環(huán)節(jié),成為可向負(fù)載提供直流或交流的電能。在這些環(huán)節(jié)中電力電子技術(shù)對電能的變換與控制發(fā)揮著重要作用。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨立運行方式和并網(wǎng)運行方式兩種基本類型。

圖1(a)示為獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在獨立運行的系統(tǒng)中,需要蓄電池作為儲能單元,它將有日照時所發(fā)的剩余電能儲存起來。獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于無電地區(qū)和人口稀少的地區(qū)。

圖1(b)示為并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是將電網(wǎng)作為儲能單元,當(dāng)日照強時系統(tǒng)將所發(fā)的剩余電力饋入電網(wǎng),當(dāng)需要用電時再從電網(wǎng)吸收電力。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大好處是可以省去蓄電池。因此,并網(wǎng)型光伏發(fā)電有助于電力系統(tǒng)的調(diào)峰。

A 獨立運行方式b 并網(wǎng)運行方式

圖1光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2所示為一個小功率的并網(wǎng)型光伏發(fā)電裝置的電路原理圖。

圖2 光伏發(fā)電并網(wǎng)裝置的主電路

主電路的左邊直流側(cè)直接與太陽電池的輸出端相接,右邊交流側(cè)與電網(wǎng)相連?？梢钥闯鲋麟娐酚蓛刹糠纸M成,左側(cè)為一個DC-DC變換器電路,右側(cè)為一個DC-AC逆變器電路。因為200W的太陽電池板的輸出電壓只有幾十伏,而要將能量反饋回220V的交流電網(wǎng)并獲得較好的電流波形,則逆變器直流側(cè)的電壓應(yīng)高于電網(wǎng)電壓的峰值,因此需要DC-DC變換器完成升壓的任務(wù),這里DC-DC變換器的高頻變壓器同時還起到了電氣隔離的作用。

2.光伏并網(wǎng)運行的工作原理

圖3示為單級光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置逆變部分原理圖

圖3 單級式光伏并網(wǎng)逆變器電路

當(dāng)開關(guān)器件T1,T4導(dǎo)通時,光伏電池陣列直流側(cè)能量饋入電網(wǎng),并網(wǎng)電流增大,電感儲能增加。

當(dāng)開關(guān)器件T1,T3導(dǎo)通時,光伏電池陣列對直流側(cè)電容進(jìn)行充電,交流側(cè)電感儲存能量通過T1及D3組成的回路反饋入電網(wǎng),并網(wǎng)電流減小,電感儲能減少。

當(dāng)開關(guān)器件T2,T3導(dǎo)通時,電感的儲能通過反并聯(lián)二極管D2和D3組成的回路饋入電網(wǎng),還與光伏電池陣列一起對直流側(cè)電容進(jìn)行充電,并網(wǎng)電流減小,電感儲能減少。

當(dāng)開關(guān)器件T2,T4導(dǎo)通時,光伏電池陣列對直流側(cè)電容進(jìn)行充電,電感儲能通過D2及T4組成回路反饋入電網(wǎng),并網(wǎng)電流減小,電感儲能也減小。

對于并網(wǎng)電流的負(fù)半周,也可以進(jìn)行相同的分析。這四種開關(guān)狀態(tài)經(jīng)過SPWM調(diào)制,并通過交流濾波器濾除載波高頻分量后,即可使送入電網(wǎng)的電流波形為正弦波。

3.采用滯環(huán)電流跟蹤控制的光伏并網(wǎng)運行

(1)滯環(huán)電流跟蹤控制

滯環(huán)電流跟蹤控制是一種有效的實時控制方法,具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、電流跟蹤性能好、響應(yīng)快、不用載波等優(yōu)點,適用于逆變器并網(wǎng)運行的控制。

采用滯環(huán)控制策略的系統(tǒng)原理圖如圖4所示,由相位檢測環(huán)節(jié)得到的同步信號與并網(wǎng)電流幅值給定一起送正弦波發(fā)生器,生成與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流信號i*,再經(jīng)滯環(huán)比較器對并網(wǎng)電流反饋信號i與i*偏差進(jìn)行調(diào)制得到開關(guān)管控制信號。

圖4 采用滯環(huán)電流控制的光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制原理圖

圖5給出了采用滯環(huán)比較方式的單相并網(wǎng)逆變器DC/AC原理圖。

圖5 單相并網(wǎng)逆變器原理圖

把參考電流i*和實際反饋電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入,通過其輸出來控制開關(guān)器件T1、T4和T2、T3的通斷。當(dāng)i為正時,T1、T4導(dǎo)通,則i增大;T2、T3導(dǎo)通,則i減小。當(dāng)i為負(fù)時,T1、T4導(dǎo)通,則i的絕對值減小;T2、T3導(dǎo)通,則i的絕對值增大。上述規(guī)律可概括為:當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時,i增大,當(dāng)T2、T3導(dǎo)通時,i減小。這樣,通過環(huán)寬為2△I的滯環(huán)比較器的控制,i就在i*+△I和i*-△I的范圍內(nèi),呈鋸齒狀地跟蹤參考電流i*。

滯環(huán)環(huán)寬對跟蹤性能有較大的影響。環(huán)寬過寬時,開關(guān)動作頻率低,但跟蹤誤差增大;環(huán)寬過窄時,跟蹤誤差減小,但開關(guān)的動作頻率過高,甚至?xí)^開關(guān)器件的允許頻率范圍,開關(guān)損耗隨之增大。

(2)采用滯環(huán)電流跟蹤控制法對逆變器仿真

基于滯環(huán)電流跟蹤控制法建立仿真模型,圖6為采用滯環(huán)電流跟蹤控制法的全橋DC/AC逆變部分閉環(huán)的MATLAB仿真模型。

圖6 滯環(huán)電流跟蹤控制的逆變部分的MATLAB仿真圖

系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置為:并網(wǎng)電流反饋增益為0.15,滯環(huán)寬度為0.003。逆變部分的主電路參數(shù)為:VDC=400 V,L1a=L1b=1.5 mH,L2a=L2b=15 mH,, C=0.47μF,R=10Ω,仿真時間為0.2s。

圖7是穩(wěn)態(tài)工作時并網(wǎng)逆變器電壓及電流的仿真波形,從圖中可以看出逆變器輸出的電流為正弦波,與電壓接近同相位,基本實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行。

圖7 并網(wǎng)逆變器電壓及電流的仿真波形

圖8為逆變器輸出電壓及頻譜,逆變器輸出電壓為正弦波,幅值為311.7 V,總諧波畸變率為1.06%。

圖9為穩(wěn)態(tài)工作時并網(wǎng)電流波形及其頻譜,從圖中可以看出,并網(wǎng)逆變器輸出的電流

波形總諧波畸變率為2.95%,幅值7.711 A。

圖8 逆變器輸出電壓及頻譜 圖9 并網(wǎng)電流波形及頻譜

四、總結(jié)

文章介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運行,并對單相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行測試,其中逆變器采用滯環(huán)電流跟蹤控制。并網(wǎng)逆變器輸出的電壓與電流波形仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相符,均實現(xiàn)了并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位即功率因數(shù)為1,而且逆變器輸出電壓電流的諧波畸變率都較低,說明該系統(tǒng)中運用滯環(huán)電流跟蹤控制具有較好的實時性,驗證了滯環(huán)電流跟蹤控制策略在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的可行性。

參考文獻(xiàn):

[1]顧和榮,楊子龍,鄔偉揚.并網(wǎng)逆變器輸出電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(1)108-112.

[2]張蔚,唐金乘,張奕.單相光伏并網(wǎng)逆變器滯環(huán)電流跟蹤控制的研究[J].南通大學(xué)學(xué)報,2009,8(1)

[3]馮海峰,馬德林,許良軍.單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析[J].計算機仿真,2008,25 (3)