直流模塊式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃建明，吳春華，許富強(qiáng)

(上海大學(xué)自動(dòng)化系，上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072)

直流模塊式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃建明，吳春華，許富強(qiáng)

(上海大學(xué)自動(dòng)化系，上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072)

在分析共直流母線并網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)一種直流模塊式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)，采用前級(jí)共直流母線的直流并聯(lián)模塊，后級(jí)集中并網(wǎng)逆變的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性及靈活性，減小功率器件應(yīng)力，增強(qiáng)系統(tǒng)冗余性，重點(diǎn)介紹了并網(wǎng)逆變控制器的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)控制器設(shè)計(jì)方法。最后，設(shè)計(jì)一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性及控制器設(shè)計(jì)方法的正確性。

直流模塊;并網(wǎng)控制;光伏;并聯(lián)

1 引言

太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源發(fā)電的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中大部分新能源發(fā)電系統(tǒng)直接并入電網(wǎng)，因此，并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)成為了新能源發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。目前，新能源發(fā)電系統(tǒng)普遍采用集中控制方式，將直流電并入電網(wǎng)［1-3］。該方法具有成本低、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在系統(tǒng)無(wú)法接入不同能源，不易擴(kuò)容，一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)停止發(fā)電等問題，特別針對(duì)光伏系統(tǒng)中的局部陰影、組件失配等現(xiàn)象，集中控制方式將導(dǎo)致大量電能損失。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述問題進(jìn)行了相關(guān)研究，提出了一些解決方法，其主要思想是通過(guò)并聯(lián)技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)功能等級(jí)，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。文獻(xiàn)［4-6］提出了分布式模塊化方法，給每塊光伏組件配備直流模塊進(jìn)行MPPT及升壓控制，然后并入集中逆變器進(jìn)行并網(wǎng)，該方法解決了局部陰影和組件失配問題，但是模塊過(guò)多、成本高，不適合大中型電站;文獻(xiàn)［7］利用并聯(lián)技術(shù)，將大電流分流給各個(gè)并聯(lián)模塊，減小功率器件應(yīng)力，但是該方法本質(zhì)上是幾個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的直接并聯(lián)，導(dǎo)致系統(tǒng)成本和復(fù)雜性增加;文獻(xiàn)［8-11］研究了多輸入源共直流母線發(fā)電系統(tǒng)，但相關(guān)文獻(xiàn)僅僅對(duì)系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證;文獻(xiàn)［12，13］研究了共直流母線并聯(lián)光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離網(wǎng)發(fā)電控制，并沒有進(jìn)行并網(wǎng)控制方面的研究。目前，共直流母線并聯(lián)系統(tǒng)在傳動(dòng)、UPS、變頻電源等領(lǐng)域得到了應(yīng)用推廣［14-16］，在新能源發(fā)電領(lǐng)域利用共直流母線并聯(lián)技術(shù)，可以有效解決目前存在的一些問題，因此，越來(lái)越多研究人員開始關(guān)注在新能源發(fā)電系統(tǒng)中使用共直流母線并聯(lián)技術(shù)［17-19］。

本文研究并設(shè)計(jì)了一種直流模塊式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)，在綜合考慮系統(tǒng)成本、可靠性、復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，采用前級(jí)直流模塊并聯(lián)直流母線，后級(jí)集中并網(wǎng)逆變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便系統(tǒng)接入不同能源及靈活配置，在部分模塊故障時(shí)不影響其他正常模塊工作。最后，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)針對(duì)光伏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。

2 系統(tǒng)工作原理

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中DC/DC直流模塊的輸入分別接光伏陣列，輸出并聯(lián)直流母線，集中并網(wǎng)逆變器將直流母線電能饋入電網(wǎng)。其中集中并網(wǎng)逆變器作為主控制器，DC/DC直流模塊作為從控制器，兩者通過(guò)RS485(或直流電力線載波)進(jìn)行信息傳遞，DC/DC直流模塊根據(jù)接受命令分別實(shí)現(xiàn)升壓、穩(wěn)壓、最大功率點(diǎn)跟蹤控制，集中并網(wǎng)逆變器接受各個(gè)DC/DC直流模塊信息，進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

本文設(shè)計(jì)的直流模塊式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):直流模塊式結(jié)構(gòu)減小模塊電流應(yīng)力，增強(qiáng)系統(tǒng)冗余性，增加系統(tǒng)靈活性;可采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，降低直流母線電流紋波，減小電容容量;各個(gè)直流模塊分別進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，降低局部陰影、系統(tǒng)失配等因素對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率的影響。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Diagram of system

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 并網(wǎng)逆變器電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)

三相集中并網(wǎng)逆變器主電路如圖2所示，圖中ea，eb，ec為三相電網(wǎng)電壓，O為三相電網(wǎng)電壓的中點(diǎn)，ia，ib，ic為并網(wǎng)電流，其箭頭方向表示電流正方向，L為三相濾波電感，R為濾波電感等效電阻，C為直流母線電容，E為輸入直流電源，RE為輸入直流電源等效內(nèi)阻，iE為直流電源輸出電流。

圖2 三相集中并網(wǎng)逆變器主電路Fig．2 Main circuit of centralized three-phase gridconnected inverter

根據(jù)圖2，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，得到并網(wǎng)逆變器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程:

由式(1)可以得到對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。圖2中定義Sa、Sb、Sc為開關(guān)函，當(dāng)Sa=1時(shí)，T1導(dǎo)通、T2關(guān)斷，Sa=0時(shí)，T1關(guān)斷、T2導(dǎo)通;Sb=1時(shí)，T3導(dǎo)通、T4關(guān)斷，Sb=0時(shí)，T3關(guān)斷、T4導(dǎo)通;Sc=1時(shí)，T5導(dǎo)通、T6關(guān)斷，Sc=0時(shí)，T5關(guān)斷、T6導(dǎo)通。式(1)中sd、sq為Sa、Sb、Sc經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后在dq坐標(biāo)系下的相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)。

圖3 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器模型Fig．3 Grid-connected inverter model in two-phase synchronous rotating coordinate system

從圖3中可知，并網(wǎng)逆變器模型中存在d軸電流與q軸電流互相耦合，同時(shí)電網(wǎng)電壓作為擾動(dòng)量，將影響并網(wǎng)電流質(zhì)量，設(shè)計(jì)控制器時(shí)需特別注意。

圖4為并網(wǎng)電流環(huán)控制器數(shù)學(xué)模型，其中圖4 (a)為電流解耦控制器，采用電流前饋環(huán)對(duì)dq電流耦合項(xiàng)進(jìn)行解耦，圖4(b)為電壓前饋(以 d軸為例)控制傳遞函數(shù)，引入電壓前饋環(huán)節(jié)抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)電流環(huán)的影響，圖中G1(s)為電流PI調(diào)節(jié)器，G2(s)為采樣延遲與 PWM等效傳遞函數(shù)，Ts為采樣周期(即為PWM開關(guān)周期)，K為PWM增益，G3(s)為濾波電感模型，Gn(s)為電網(wǎng)電壓前饋控制，一般取1/K。

為了保證電流內(nèi)環(huán)具有較快的電流跟隨性能，可按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，使得PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)與控制對(duì)象的極點(diǎn)對(duì)消，可得電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù):

取閉環(huán)系統(tǒng)阻尼比為0.707，可得電流PI調(diào)節(jié)器的控制參數(shù):

3.2 鎖相環(huán)控制器設(shè)計(jì)

并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)可靠并網(wǎng)，需要獲得電網(wǎng)電壓的頻率和相位，數(shù)字鎖相環(huán)目前被廣泛采用，圖5為

圖4 并網(wǎng)電流環(huán)控制器數(shù)學(xué)模型Fig．4 Mathematical model of grid-connected current loop controller

數(shù)字鎖相環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖。

圖5 數(shù)字鎖相環(huán)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig．5 Block diagram of digital phase-locked loop controller

圖5中，電網(wǎng)電壓矢量Ug幅值 Um，頻率ω1，相角θ，鎖相環(huán)跟蹤角度θ'，由圖5可得三相電網(wǎng)電壓在鎖相環(huán)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)電壓分量為:

當(dāng)鎖相環(huán)跟蹤上電網(wǎng)電壓矢量時(shí)，θ=θ'，即ud=Um，uq=0;因此，只要通過(guò)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)旋轉(zhuǎn)速度，使得uq=0，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓相位跟蹤鎖定。

由圖5(c)可得鎖相環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中，ωn為自然頻率;ξ為阻尼比。

為保證系統(tǒng)的魯棒性，取阻尼比ξ為0.707，并取二階系統(tǒng)上升時(shí)間 tr(tr≈1.8/ωn)10ms，即 ωn= 100rad/s，電網(wǎng)電壓幅值Um為310V。則可求得:

3.3 功率協(xié)調(diào)控制策略

基于電網(wǎng)電壓定向矢量控制的電流環(huán)可以近似為一階慣性環(huán)節(jié):

式中，Ts為三相并網(wǎng)逆變器的開關(guān)周期;Tic為電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。

直流母線電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 直流母線電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig．6 Block diagram of DC bus voltage loop control

圖6中，GV 1(s)為直流母線電壓環(huán)調(diào)節(jié)延時(shí)，Tv為延時(shí)時(shí)間常數(shù);GV 2(s)為直流母線電壓 PI控制器，GV 3(s)為直流母線電容等效模型。

將電壓調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間常數(shù) Tv與電流內(nèi)環(huán)等效小時(shí)間常數(shù)3Ts合并，即 Tev=Tv+3Ts，可得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù):

在電壓環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮其抗擾性能，故可按照典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，工程上一般取中頻寬hv=Tv/Tev=5，代入式(8)計(jì)算得電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為:

圖7為直流模塊式光伏系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖，圖中各個(gè)光伏陣列輸出功率 Ppv1、Ppv2、Ppv3隨光照和溫度等外界環(huán)境條件的改變而變化，即整個(gè)系統(tǒng)的輸入功率是波動(dòng)的，如果集中并網(wǎng)逆變器不能及時(shí)通過(guò)調(diào)整并網(wǎng)電流的大小來(lái)消除輸入功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，整個(gè)系統(tǒng)將有可能崩潰。因此，良好的協(xié)調(diào)控制是保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提。

圖7 直流模塊式光伏系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig．7 Power coordinated control block diagram of DC modular PV system

增加功率前饋協(xié)調(diào)控制，將光伏輸入功率的變化信息通過(guò)功率前饋環(huán)節(jié)與直流母線電壓外環(huán)共同作用調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流，這樣就建立了系統(tǒng)光伏輸入功率與集中并網(wǎng)逆變器輸出功率的直接聯(lián)系，提高了系統(tǒng)對(duì)不確定性光伏功率的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

依據(jù)瞬時(shí)功率理論，可以得到三相并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率 q在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中為:

式中，ed、eq分別為電網(wǎng)電壓矢量在d、q軸的電壓分量;id、iq分別為并網(wǎng)電流矢量的d、q軸的電流分量。

當(dāng)并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)采用電壓矢量定向的控制策略時(shí)，則eq=0，將其代入式(10)得:

一般光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)均要求單位功率因數(shù)運(yùn)行，要求q軸電流分量iq為零。因此，功率前饋控制環(huán)節(jié)的輸出控制量if可以按式(12)計(jì)算獲得。令 :

3.4 直流模塊參數(shù)設(shè)計(jì)

直流模塊輸入電壓 180～480V，輸出電壓680V，功率5kW，根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇Boost變換器作為直流模塊主電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)開關(guān)頻率20kHz。

Boost主電路中電感、輸入電容、輸出電容可根據(jù)式(13)計(jì)算獲得:

式中，Umpp為光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓;D為最大功率點(diǎn)時(shí)占空比;ΔIL為允許電流紋波;fs為開關(guān)頻率; ΔUin為允許輸入電壓紋波;ΔUout為允許輸出電壓紋波;Pmpp為最大功率點(diǎn)功率;Vout為輸出電壓。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig．8 Experimental prototype

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文根據(jù)上述理論分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)15kW直流模塊式并網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示，其中直流模塊由3套5kW Boost變換器構(gòu)成。具體參數(shù)為:直流模塊中電感 LBoost=3.5mH，輸入電容 Cin= 110μF，輸出電容 Cout=340μF，開關(guān)頻率 fs1= 20kHz，集中逆變器并網(wǎng)電感 Ls=5mH，開關(guān)頻率fs2=6.4kHz。

圖9(a)為鎖相環(huán)控制器波形，圖中鎖相環(huán)輸出相位完全跟蹤上電網(wǎng)相位;圖9(b)為電流環(huán)控制器給定電流從3A突變至5A時(shí)，實(shí)際并網(wǎng)電流能夠立刻跟蹤上給定電流的變化;圖9(c)、圖9(d)為輸入功能變化時(shí)直流母線電壓和并網(wǎng)電流，在外界環(huán)境改變而引起系統(tǒng)輸入功率變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)功率協(xié)調(diào)控制方法能夠快速調(diào)節(jié)輸出功率的大小，維持直流母線電壓的恒定。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形Fig．9 Experimental waveforms

5 結(jié)論

本文研究并設(shè)計(jì)的直流模塊式光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)靈活性及冗余性，減小了功率器件應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所建立的并網(wǎng)逆變控制器數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性，該方案為新能源發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)提供了一定參考價(jià)值。

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Design and implementation of DC-module grid-connected inverter for photovoltaic system

HUANG Jian-ming，WU Chun-hua，XU Fu-qiang
(Shanghai University Department of Automation，Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology，Shanghai 200072，China)

In this paper，a DC-modular photovoltaic grid-connected control system has been researched and designed，which is based on a common DC bus grid system．A structure about dc module of the common dc bus in the former stage and centralized grid-connected inverter in the later stage is adopted in the system．The reliability and flexibility of the system can be improved，and the stress of power devices can be reduced，moreover，the redundancy of the system can be enhanced by this structure．The mathematical model and the corresponding design method of the grid-connected inverter are introduced in detail in this paper．Finally，an experimental prototype is designed for test，and the experimental results verify the feasibility and correctness of the controller design method．

DC modular;grid-connected control;photovoltaic;parallel

TM615

A

1003-3076(2014)04-0026-06

2012-12-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(51107079)、上海大學(xué)“十一五”211建設(shè)資助項(xiàng)目

黃建明(1971-)，男，福建籍，博士研究生，主要從事太陽(yáng)能控制研究;吳春華(1978-)，男，浙江籍，副教授，博士，主要從事太陽(yáng)能控制研究。