并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

謝寒冰，郭前崗，周西峰

（南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210046）

近年來(lái)，隨著世界能源消耗的增加，以太陽(yáng)能為代表的可再生能源發(fā)電受到了廣泛重視。光伏并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)憑借造價(jià)低、應(yīng)用廣泛、輸出波形穩(wěn)定等特點(diǎn)，其應(yīng)用比例快速增長(zhǎng)，已成為光伏技術(shù)的主流應(yīng)用。由于要求光伏并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)輸出的交流電與電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同步，所以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制的關(guān)鍵和難點(diǎn)在于確定了光伏電池的最大功率輸出后，如何綜合考慮功率變換器的動(dòng)態(tài)性能、系統(tǒng)干擾、輸出波形失真、并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同步等問(wèn)題?；诖耍谶x取了單相電壓源型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)作為研究對(duì)象后，利用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制策略，采用新型重復(fù)控制技術(shù)，并結(jié)合電網(wǎng)電壓前饋控制技術(shù)，在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，并網(wǎng)電流的重復(fù)控制可改善穩(wěn)態(tài)情況下的并網(wǎng)電流波形，降低對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)電網(wǎng)電壓的前饋控制也抵消了電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響。

1 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照發(fā)電功率及容量可以分為單相和三相兩種，采用單相并網(wǎng)系統(tǒng)，有便于理論分析且性能可靠；按照直流側(cè)電源形式可分為電壓型和電源型兩類，采用電壓源型系統(tǒng)，有輸入電壓穩(wěn)定且干擾較小等特點(diǎn)；根據(jù)逆變器級(jí)數(shù)又可分為單級(jí)式和兩級(jí)式系統(tǒng)，采用兩級(jí)式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)比較容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。基于此，本文采用兩級(jí)式單相電壓源型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 單相電壓源型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單相電壓源型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。其中，光伏組件陣列將接收到的太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能。通常這個(gè)環(huán)節(jié)輸出的電壓不能達(dá)到逆變的要求，可以通過(guò)一個(gè)升壓斬波電路對(duì)其進(jìn)行升壓，并將輸出電壓

通過(guò)并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能電容，作為逆變器的輸入信號(hào)，從而構(gòu)成電壓源型逆變器。逆變器的主電路通常采用全橋逆變電路，使用IGBT作為功率器件。為了控制逆變器中功率器件的關(guān)斷還需采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)。通常逆變器的輸出電壓還會(huì)含有較多的高次諧波分量,因而必須在逆變器的輸出側(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)低通LC濾波器來(lái)減小諧波含量，以得到平滑的正弦波,防止對(duì)電網(wǎng)電壓造成污染。

1.2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

單相電壓源型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

從圖2可以看出，對(duì)于逆變器輸出部分，主要采用電流控制方法。把逆變器輸出電流作為一個(gè)電流源，和電網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)工作，而電網(wǎng)一般看作是電壓源處理。所以整個(gè)控制目標(biāo)就變成控制逆變器的輸出電流，使其頻率、相位能夠完美地跟蹤電網(wǎng)電壓變化。這種控制方法相對(duì)于控制逆變器輸出電壓跟蹤電網(wǎng)電壓的控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單。

從以上的數(shù)學(xué)模型可以得到并網(wǎng)逆變器的等效電路和相應(yīng)的電壓電流矢量圖，如圖3所示[1]。其中Uo為電網(wǎng)電壓，U1為并網(wǎng)逆變器的輸出電壓，r為包括線路電阻、死區(qū)效應(yīng)、開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降等逆變器中各種阻尼因素的綜合等效電阻，L是電路等效電感值，iL為并網(wǎng)逆變器的輸出電流。由于并網(wǎng)逆變器的等效負(fù)載屬于阻感性負(fù)載，所以逆變器輸出的電壓要比電網(wǎng)電壓滯后一個(gè)相位差θ，如圖3(b)所示。因此在研究控制方案時(shí)，為了使輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，要使電網(wǎng)電壓預(yù)先滯后于并網(wǎng)逆變器的輸出電壓。

2 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究

系統(tǒng)的整體控制采用雙環(huán)控制策略，控制過(guò)程是電壓給定信號(hào)ur與電容電壓uo比較得到電壓誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓調(diào)節(jié)器 GV產(chǎn)生電流給定信號(hào) uir，uir與電容電流ic比較得到電流誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器Gi形成控制量u1，從而對(duì)逆變器實(shí)施控制。

2.1 電網(wǎng)電壓前饋控制研究

并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是有源逆變系統(tǒng)，其負(fù)載為電網(wǎng)，因此，在公共節(jié)點(diǎn)處，電網(wǎng)電壓值可能會(huì)因?yàn)榛芈飞掀渌涣髫?fù)載的變化而發(fā)生突變，此時(shí)，并網(wǎng)電流波形就可能發(fā)生畸變。從控制理論角度理解，可以將電網(wǎng)交流電壓當(dāng)作是系統(tǒng)的干擾源。為了獲得較好的電網(wǎng)擾動(dòng)抑制效果，系統(tǒng)采用了電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)前饋控制策略，以抵消電網(wǎng)的擾動(dòng)。前饋控制一般不會(huì)改變控制系統(tǒng)的特性，另外前饋控制還可以在一定程度上減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，所以盡量降低反饋控制的增益，有利于系統(tǒng)的魯棒性。圖4為具有電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)前饋補(bǔ)償?shù)目刂瓶驁D。其中，G1(s)表示控制對(duì)象傳遞函數(shù)，G2(s)表示逆變橋及 SPWM調(diào)制電路等效傳遞函數(shù)，G3(s)則表示系統(tǒng)串聯(lián)的PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，KPWM為逆變器增益。由圖可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(設(shè)由 Unet變?yōu)?Unet+△u)時(shí)，由于電網(wǎng)電壓的干擾，此時(shí)輸出的并網(wǎng)電流Inet的變化量為：

2.2 并網(wǎng)電流重復(fù)控制研究

圖5為系統(tǒng)中重復(fù)控制器簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方法。在傳統(tǒng)的重復(fù)控制系統(tǒng)中，重復(fù)控制器主要由兩部分構(gòu)成：內(nèi)模和輔助補(bǔ)償器。內(nèi)模的作用是產(chǎn)生周期性的參考信號(hào)；而輔助補(bǔ)償器是為了改造控制對(duì)象，以增加其穩(wěn)定裕度。本系統(tǒng)中也采用了PI控制器來(lái)改造控制對(duì)象。其中N為一個(gè)基波周期內(nèi)并網(wǎng)電流的采樣次數(shù)，其值等于一個(gè)基波周期內(nèi)PWM的中斷次數(shù)即載波比，在本系統(tǒng)中，由于開(kāi)關(guān)頻率為 10 kHz，電流頻率為 50 Hz，故 N=10 k/50=200。Q(z)可以看成是一階低通濾波器或者直接看作是不大于1的常數(shù)。

系統(tǒng)工作原理是：重復(fù)控制器將上一周期的輸出量經(jīng)過(guò)Q(z)衰減后與當(dāng)前誤差e進(jìn)行逐基波周期累加，當(dāng)誤差e周期性地重復(fù)出現(xiàn)時(shí)，內(nèi)模的輸出也就變成對(duì)誤差e的逐基波周期累加。當(dāng)誤差e=0時(shí)，內(nèi)模的輸出（即A點(diǎn)的輸出）不會(huì)消去，只是暫時(shí)停止變化，此時(shí)重復(fù)前一周期的波形，同時(shí)周期性地輸出此波形，從而實(shí)現(xiàn)輸出對(duì)給定的無(wú)靜差跟蹤。內(nèi)模輸出波形通過(guò)串聯(lián)的補(bǔ)償器Gc(s)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[3]。

具體分析時(shí)，忽略線路分布時(shí)間常數(shù)，僅考慮PI控制時(shí)，則可以得到系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

選擇合理的 Kp、T，使兩者乘積等于 L/r，這樣可以實(shí)現(xiàn)式中的零點(diǎn)和極點(diǎn)對(duì)消，此時(shí)：

上式表明，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用PI控制后是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性僅與控制器的積分時(shí)間常數(shù)T有關(guān)，T值越小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就越快。

2.3 系統(tǒng)的整體控制策略

綜合以上兩小節(jié)的研究，設(shè)計(jì)出重復(fù)控制器與電網(wǎng)電壓前饋技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括改進(jìn)型重復(fù)控制器和電網(wǎng)電壓前饋控制器兩部分。其中，改進(jìn)型重復(fù)控制器串聯(lián)在前向通道中，用來(lái)克服周期性的擾動(dòng)影響，改善系統(tǒng)并網(wǎng)電流的穩(wěn)態(tài)性能；電網(wǎng)電壓前饋控制為一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)抵消電網(wǎng)電壓的影響，這樣，即使給定電流為零，系統(tǒng)仍然能夠產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的占空比來(lái)抵消電網(wǎng)作用，從而使系統(tǒng)成為一個(gè)無(wú)源跟隨系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 仿真電氣參數(shù)

電路的主要仿真電氣參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真模型

根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)，本文在Matlab2010a環(huán)境下構(gòu)建仿真模型如圖6所示[4]。

由圖可知，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：直流電壓輸入模塊、逆變橋模塊、PWM波形生成模塊、交流側(cè)并網(wǎng)模塊以及控制系統(tǒng)模塊等。

3.3 仿真結(jié)果

采用電網(wǎng)電壓前饋與改進(jìn)型重復(fù)控制相結(jié)合的控制策略后，參考電網(wǎng)電壓Ugrid與輸出電流ic的波形圖如圖7所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)電氣參數(shù)

3.4 仿真結(jié)果分析

在實(shí)施復(fù)合控制以后，并網(wǎng)電流處于穩(wěn)態(tài)，與電網(wǎng)電壓頻率相同，相位差很小，且波形光滑，基本滿足了光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。

本文提出的光伏并網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)控制策略，有效解決了電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的周期性擾動(dòng)以及輸出電流無(wú)法完全準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)電壓的問(wèn)題。采用本文提出的復(fù)合控制策略，利用串聯(lián)在前向通道中的改進(jìn)型重復(fù)控制器，可克服周期性的擾動(dòng)影響，改善系統(tǒng)并網(wǎng)電流的穩(wěn)態(tài)性能；另外把電網(wǎng)電壓前饋控制作為一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)抵消電網(wǎng)電壓的干擾，使輸出電流在相位、頻率以及幅值方面緊緊跟蹤電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的無(wú)靜差跟蹤。根據(jù)前面的理論分析以及仿真結(jié)果的驗(yàn)證，說(shuō)明該方案具有一定的有效性和可行性，但關(guān)于并網(wǎng)交流側(cè)濾波電路對(duì)輸出電流的影響還需要深層次探討。

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