適合分布式光伏發(fā)電接入的交直流混合低壓配電系統(tǒng)的研究＊

張曉航 ，郝正航，張宏俊，余永元

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025)

在全球能源需求和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，分布式光伏發(fā)電越來(lái)越得到人們的重視。支持大量分布式光伏電源的合理接入是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向［1，2］。因此，本文介紹了一種適合分布式光伏發(fā)電接入的交直流混合低壓配電系統(tǒng):光伏發(fā)出的直流電直接給直流負(fù)載供電，電網(wǎng)的交流電直接給交流負(fù)載供電。傳統(tǒng)的交直流混合微網(wǎng)中所采用的雙向DC-AC 換流器使用的是全控型IGBT 器件［3，4］，IGBT 器件相對(duì)于半控型晶閘管的損耗大，耐壓值低，而且存在孤島檢測(cè)失敗的可能性，所以本文采用的換流器是24 脈波晶閘管換流器。

1 交直流混合低壓配電網(wǎng)的特點(diǎn)

本文所介紹的適合分布式光伏發(fā)電接入的交直流混合低壓配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有幾個(gè)方面的特點(diǎn):(1)減少電能損失;光伏發(fā)電系統(tǒng)是以直流方式輸出電能，對(duì)普通用戶來(lái)說，由光伏發(fā)出電能到電器使用一般要經(jīng)過DC-AC-DC 的能量轉(zhuǎn)換過程，此過程中會(huì)有電能的損失，而現(xiàn)有家用電器許多使用直流電源驅(qū)動(dòng)，如果住宅中普及直流家用電器，就可以省去DC-AC-DC 的電能轉(zhuǎn)換過程，據(jù)分析，省去此過程的能耗減少就能達(dá)到10% ～20%。(2)具有很好的經(jīng)濟(jì)性;可以省去直流電器配備的將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電源裝置，降低設(shè)備的制造成本。(3)本文所采用的雙向換流器(DC-AC)采用24 脈波晶閘管換流器;使用這這種換流器主要有兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):①可以降低損耗，普通晶閘管的損耗要比IGBT 損耗小得多;②可以避免使用IGBT因孤島檢測(cè)失敗而對(duì)線路檢修人員的人身安全構(gòu)成威脅，現(xiàn)在即使孤島檢測(cè)的方法有多種多樣，沒有一種方法能絕對(duì)可靠，如果交流電網(wǎng)斷電，而孤島檢測(cè)失敗，光伏發(fā)出的電能繼續(xù)回饋到交流電網(wǎng)，勢(shì)必會(huì)給檢修人員的安全構(gòu)成威脅，而采用24脈波晶閘管換流器可以避免這種情況。交直流混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 交直流低壓混合配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 光伏電池模型及最大功率跟蹤

2.1 光伏電池模型

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將所吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它的輸出特性受外界溫度、輻射強(qiáng)度、負(fù)載等因素的影響，其中外界溫度變化主要影響光伏電池的輸出電壓，光伏電池的輸出電流主要受光照輻射強(qiáng)度變化的影響［5，6］。光伏電池的等效電路如圖2 所示。

圖2 光伏電池等效電路

由太陽(yáng)能電池等效電路可以得出太陽(yáng)能電池的輸出電壓U0和輸出電流I0的關(guān)系為:

式中:Iph為光生電流;Ish為光電池反向飽和電流;n 為二極管的理想因子;k 為玻爾茲曼常數(shù);q 為電子電量;Rs為光電池的串聯(lián)電阻;Rsh為光電池的并聯(lián)電阻。本文采用的是工程用光伏電池簡(jiǎn)化模型:

在此基礎(chǔ)上，考慮將溫度的變化量

和光照強(qiáng)度的變化量

引入，可得:

式中:Tref= 25·C 和Sref=1000 W/m2分別為標(biāo)準(zhǔn)條件下的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度。e 為自然底數(shù);b=0.5 為常數(shù);c =0.0028·C-1為標(biāo)準(zhǔn)條件下的電壓穩(wěn)定系數(shù);a =0.0028·C-1為標(biāo)準(zhǔn)條件下電流溫度系數(shù);Isc、Uoc、Im、Um分別為光伏電池板短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓。

2.2 光伏發(fā)電最大功率跟蹤(MPPT)

目前，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的MPPT 算法種類比較多，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中擾動(dòng)觀察法(P＆O)和增量電導(dǎo)法(INC)因發(fā)展成熟、控制簡(jiǎn)單、精度高而被普遍采用［7］。本文所采用的最大功率跟蹤的方法是增量電導(dǎo)法。下面講述基于Boost 電路的最大功率跟蹤方法原理:

假設(shè)電路中所有的元件均為理想元件，電路從輸入到輸出的過程無(wú)功率損耗，D 為開關(guān)管的占空比。Boost DC-DC 電路如圖3 所示，由電路輸入輸出的電壓關(guān)系可知:

圖3 Boost DC-DC 電路變換器原理圖

Boost 電路的輸出往往接蓄電池或者換流器的直流側(cè)，如果采樣時(shí)間很短的話，Boost 電路的輸出電壓變化很小，可視為恒定，故又可得:

由光伏的功率電壓(P-U)曲線可知，在最大功率點(diǎn)，功率對(duì)電壓的倒數(shù)為零，而且在光照強(qiáng)度、溫度等影響光伏電池輸出特性的條件不變的情況下，每個(gè)最大功率對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓。因?yàn)锽oost 電路輸出的電壓變化很小，所以改變開關(guān)管的占空比D就能找到光伏電池在最大功率點(diǎn)電壓，從而使光伏發(fā)電輸出最大功率。

3 24 脈波換流器及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在交直流混合配電網(wǎng)中，雙向AC/DC 變流器控制著直流母線和交流母線間的功率流動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定及電能質(zhì)量的提高發(fā)揮著重要作用［1］。雙向AC/DC 變流器可根據(jù)實(shí)際需要，工作在整流和逆變模式，在交直流混合配電網(wǎng)功率流動(dòng)中擔(dān)任著重要的支撐和協(xié)調(diào)角色。本文采用的雙向換流器為24 脈波晶閘管換流器。

3.1 脈波換流器原理

24 脈波的4 組整流橋通常有4 組并接方式、4組串接方式和兩組串并接方式，但它們都是通過變壓器將整流器交流側(cè)電壓的相位相互錯(cuò)開15°，從而使輸出整流電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)24次，而移相繞組和主繞組聯(lián)結(jié)方式主要有曲折型、六邊形和外延三角形等。本文采用外延三角形接法，先將主繞組側(cè)電壓分別移相+7.5°和-7.5°，然后將這兩個(gè)移相繞組各自接到三繞組變壓器，三繞組變壓器采用Y-Y-D 聯(lián)接方式，進(jìn)而使得4 組整流橋交流側(cè)的電壓相位相互錯(cuò)開15°，其主電路接法如圖4 所示。則各整流橋交流側(cè)電壓相位跟主繞組側(cè)電壓相位的關(guān)系分別為+7.5°、-22.5°、-7.5°、-37.5°。

圖4 24 脈波換流器主電路原理圖

其中，外延三角形聯(lián)接方式的矢量圖如圖5 所示，移相變壓器原邊接成三角形，副邊有兩相繞組［8，9］。下面以第一組繞組為例:如果每相繞組均取其一部分(k2)接成三角形，另一部分繞組(k1)為三角形的延伸，輸出電壓Ua1、Ub1、Uc1 分別為三角形繞組電壓與三角形延伸繞組電壓之和，其相位分別超前輸入電壓Ua、Ub、Uc 的相位為7.5°。副邊第二組繞組也由三角形繞組及其延伸構(gòu)成，但其接法略有不同，輸出電壓Ua2、Ub2、Uc2 的相位分別滯后輸入電壓Ua、Ub、Uc 的相位7.5°。因此，Ua1、Ub1、Uc1 與Ua2、Ub2、Uc2 分別相差15°。令移相后的合成相電壓為“1”，根據(jù)三角形正弦定律得［10］:

式中:k1，k2 分別為移相繞組電壓，主繞組電壓。

3.2 24 脈波換流器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聯(lián)網(wǎng)模式時(shí)換流器負(fù)責(zé)維持直流母線電壓的穩(wěn)定。孤島運(yùn)行時(shí)換流器處于斷開狀態(tài)，系統(tǒng)不會(huì)向電網(wǎng)饋送電能，可以防止孤島檢測(cè)失敗，以提高線路檢修的安全性。

圖5 延邊三角形聯(lián)接方式矢量圖

圖6 是24 脈波換流器閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖，采用恒電壓控制的雙向變流器使得直流母線電壓恒定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。24 脈波整流器輸出電壓Ud 經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)與給定電壓參考信號(hào)Ud*作差，其偏差量Ue 經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器和角度調(diào)整環(huán)節(jié)輸出觸發(fā)角參考信號(hào)α，并與6 路線電壓同步參考信號(hào)一起，經(jīng)過2 個(gè)12 脈沖觸發(fā)電路輸出24 個(gè)脈沖信號(hào)。從而控制直流母線電壓的穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)仿真

本文所采用的光伏電池板每塊為100 W，每塊電池板的參數(shù)為:Isc=6.46 A 短路電流，開路電壓Uoc=21.5 V，最大功率點(diǎn)電流5.71 A，最大功率點(diǎn)電壓Um=17.5 V，光伏板采用每5 塊板串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)的連接方式，總額定功率為1 kW，交流電網(wǎng)額定相電壓有效值設(shè)定為220 V，直流母線給定值為88 V。

仿真時(shí)，所有仿真波形圖橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位為秒(s)。設(shè)置1 s 時(shí)當(dāng)光照強(qiáng)度取500 W/m2變到1000 W/m2，1.5 s 時(shí)投入電阻50 Ω、電感為0.1 H 的阻感負(fù)載，母線電壓設(shè)定為88 V，仿真結(jié)果如圖7 -圖11 所示。

功率曲線圖7 和圖8 分別為加最大功率跟蹤時(shí)的功率曲線和不加最大功率跟蹤時(shí)的功率曲線，由圖可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度增加的時(shí)候，光伏電池板輸出功率都會(huì)增大，在1 s 之前，也就是說光照強(qiáng)度為500 W/m2時(shí)，可以明顯看出加最大功率跟蹤控制時(shí)功率基本能夠達(dá)到最大，而不加最大功率跟蹤不能達(dá)到最大功率;當(dāng)光照強(qiáng)度變?yōu)?000 W/m2時(shí)，由于設(shè)定的母線電壓為88 V，接近光伏電池板達(dá)到最大功率時(shí)的電壓，所以當(dāng)光照強(qiáng)度為1000 W/m2時(shí)，功率都能達(dá)到最大功率。

圖7 加MPPT 時(shí)光伏電池板輸出功率曲線

由于功率增大，光伏電池板輸出電壓也會(huì)相應(yīng)的增大，會(huì)造成直流母線電壓波動(dòng)，由于換流器采用恒壓閉環(huán)控制。1.5 s 的時(shí)候投入負(fù)載也造成觸發(fā)角跟母線電壓的波動(dòng)，但是很快平穩(wěn)，由圖9 和圖10 可以看出觸發(fā)角和直流母線電壓波動(dòng)，但是很快平穩(wěn)。

圖8 不加MPPT 時(shí)光伏電池板輸出功率曲線

圖9 觸發(fā)角

圖10 直流母線電壓

圖11 是換流器交流側(cè)a 相電流曲線圖，由圖可以看出電流一個(gè)周期脈動(dòng)24 次。

圖11 換流器交流側(cè)電流局部圖

5 結(jié)論

支持大量分布式光伏電源的合理接入是未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的重要方向，本文所提出的交直流混合配電網(wǎng)，光伏發(fā)出直流電供給直流負(fù)載使用，交流電網(wǎng)供電給交流負(fù)載，既能節(jié)省電能又有良好的經(jīng)濟(jì)性;本文所采用的最大功率跟蹤能使光伏達(dá)到最大功率;24 脈波換流器作為交直流混合配電網(wǎng)的重要組成部分，跟采用6 脈波和12 脈波的晶閘管換流器相比，24 脈波換流器具有較低的網(wǎng)側(cè)電流總諧波失真(THD)，在仿真時(shí)間2 s 內(nèi)的總諧波失真為0.1%。能滿足電網(wǎng)要求。輸出直流電壓更為平穩(wěn)，而且與其他PWM 全控整流裝置相比，具有開關(guān)損耗小、容量大等優(yōu)點(diǎn)。最后仿真結(jié)果證明本文所采取的電壓控制策略能維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

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