基于邊界掃描的MPPT光伏并網(wǎng)控制

王偉， 周又可, 李瀛, 杜煒

(南京南瑞集團公司,江蘇 南京 211106)

基于邊界掃描的MPPT光伏并網(wǎng)控制

王偉， 周又可, 李瀛, 杜煒

(南京南瑞集團公司,江蘇 南京 211106)

光伏發(fā)電的隨機性和無功負荷極大地影響配電網(wǎng)的運行質(zhì)量。為了提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和并網(wǎng)設備利用率，將配電網(wǎng)靜止同步補償器(Distribution Static Synchronous Compensator, DSTATCOM)與光伏并網(wǎng)逆變器相結(jié)合實現(xiàn)無功補償。并在此基礎(chǔ)上，提出一種基于邊界掃描的MPPT方法，速度快、精度高，能減少直流電壓的震蕩。最后，通過仿真驗證了新型MPPT光伏并網(wǎng)方法的有效性和良好的動靜態(tài)性能。

配電網(wǎng)靜止同步補償器；光伏發(fā)電并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)；最大功率點跟蹤；邊界掃描；無功補償

0 引 言

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是通過電力電子器件實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和傳遞的，這就不可避免給配電網(wǎng)引入諧波污染，使電能質(zhì)量變差；同時，用電負荷的隨機波動性，對配電網(wǎng)的規(guī)劃設計和運行也是一個巨大的難題和挑戰(zhàn)[1]。因而，如何及時有效地對配電網(wǎng)進行無功就地補償是電力系統(tǒng)保護與控制的研究熱點。文獻[2]把兼具無功及諧波補償功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)稱為光伏發(fā)電并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Photovoltaic Power Conditioner, PVPC)。文獻[3]提出DSTATCOM技術(shù)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)對配電網(wǎng)進行無功功率補償。

對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)是極其關(guān)鍵的，傳統(tǒng)的MPPT算法主要有[4-6]：恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法，上述方法簡單易于實現(xiàn)，可適用于光伏陣列遮擋幾率較小且MPPT精度要求不高的光伏發(fā)電場合。因而，設計更佳的MPPT方法勢在必行。針對部分陰影光伏陣列，文獻[7]提出的粒子群算法能夠跟蹤部分陰影環(huán)境下光伏陣列的全局最大功率點，但在光照突變時失效；文獻[8]提出了判斷環(huán)境突變的方程，使得粒子群算法能重新尋找最大功率點,但震蕩較大，不利于并網(wǎng)逆變器的安全運行。針對這些問題，本文提出一種邊界掃描MPPT方法并進行仿真驗證。仿真結(jié)果說明該方法簡單易行、并網(wǎng)逆變器直流電壓震蕩次數(shù)少且在多峰值情況下也不會陷入局部最大功率點。

1 基于DSTATCOM的PVPC結(jié)構(gòu)及建模

在本文所研究的基于DSTATCOM技術(shù)的PVPC系統(tǒng)中，假設配電網(wǎng)三相電壓對稱且為正序。光伏電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)化直流電能，然后PVPC系統(tǒng)將直流電能轉(zhuǎn)化為交流有功電能饋送給配電網(wǎng)。同時，PVPC系統(tǒng)實時檢測配電網(wǎng)負載消耗的功率性質(zhì)，若負載消耗無功功率，則PVPC系統(tǒng)快速對其進行動態(tài)補償，避免無功功率對配電網(wǎng)的正常運行造成影響。

基于DSTATCOM技術(shù)的PVPC主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，與DSTATCOM的主電路拓撲結(jié)構(gòu)基本一致，只是增加了光伏電池陣列和防反充二極管[9]。

圖1 PVPC拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，光伏陣列(PV)將太陽能轉(zhuǎn)化直流電能，經(jīng)過串聯(lián)防反充二極管后并接在PVPC逆變器的直流母線。 PVPC的逆變器采用三相電壓型全橋逆變器，其交流側(cè)經(jīng)過電抗器和隔離變壓器后并接在三相配電網(wǎng)。為簡化分析，假設圖1中隔離變壓器輸出的電壓為電網(wǎng)電壓，忽略該電網(wǎng)內(nèi)阻，并設電抗器的等效電阻和逆變器的等效內(nèi)阻之和為R，則PVPC逆變器的簡化電路如圖2所示。

圖2 PVPC逆變器的簡化電路

以O點為參考點，利用開關(guān)函數(shù)法和 Kirchhoff 電壓定律可得到逆變器的輸出電壓和狀態(tài)方程[10]：

(1)

(2)

(3)

2 基于DSTATCOM的PVPC控制策略

2.1 PVPC并網(wǎng)功率控制

PVPC并網(wǎng)功率的控制是通過控制并網(wǎng)電流來實現(xiàn)的，根據(jù)三相瞬時無功功率理論和DSTATCOM無功電流控制原理[11-12]，將abc三相電流變換到d/q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下可實現(xiàn)有功/無功電流的實時檢測和解耦控制，此解耦方法應用于DSTATCOM無功電流解耦控制有優(yōu)良的動態(tài)性能和魯棒性能。本文采用的電流控制策略是基于電流d/q解耦的SPWM閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器放在d/q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下。電流調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過dq/abc變換后作為SPWM的調(diào)制波與PWM發(fā)生器的定頻三角載波比較產(chǎn)生6路PWM信號驅(qū)動PVPC逆變器的6個開關(guān)管，控制PVPC逆變器逆變輸出電壓的相位和幅值從而實現(xiàn)對PVPC并網(wǎng)電流的解耦控制。

根據(jù)瞬時無功功率理論，abc/dq變換矩陣為：

(4)

dq/abc變換矩陣為：

(5)

式中θ為配電網(wǎng)三相電壓矢量的相角，可通過鎖相環(huán)計算得出[13]。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

圖4 PVPC電流控制框圖

2.2 光伏陣列MPPT與PVPC直流鏈回路控制

光伏電池的等效電路圖如圖5所示[14]。

其數(shù)學模型為：

(6)

式中Iph為光生電流，與光照強度G成正比；Isat為暗電流；Rs為串聯(lián)電阻；Rp為并聯(lián)電阻；A為理想因子，介于1和2之間；K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；U為輸出電壓；I為輸出電流。

圖5 光伏電池等效電路

光伏陣列是由光伏電池板經(jīng)串、并聯(lián)構(gòu)成。當光伏陣列受到均勻光照、處于相同溫度時，光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線呈現(xiàn)非線性單峰值特性；而當光伏陣列受到部分遮擋時，光伏陣列輸出P-U特性曲線將呈現(xiàn)非線性多峰值特性。根據(jù)圖5和式(6)在MATLAB/Simulink建立光伏電池的仿真模型，并把三個開路電壓為130 V、短路電流12 A的光伏電池模型串聯(lián)組成光伏陣列仿真模型，仿真該陣列在不同的外部環(huán)境中下的P-U輸出特性，如圖6所示。

圖6 光伏陣列P-U特性曲線

由圖6可以看出，控制光伏陣列端電壓，使光伏陣列工作在最大功率輸出狀態(tài)，即光伏陣列MPPT控制，是提高光伏發(fā)電效率的重要方法。本文提出一種邊界掃描MPPT方法，其思路是控制光伏陣列端電壓從PVPC直流側(cè)可控最低電壓(邊界1)連續(xù)變化到接近光伏陣列的開路電壓(邊界2)，掃描過程中記錄光伏陣列的輸出功率。待掃描完畢，把掃描過程中所記錄的最大功率所對應的光伏陣列端電壓作為PVPC直流鏈回路電壓的基準值，PVPC控制直流鏈電壓(也是光伏陣列的端電壓)保持在基準值，從而使光伏陣列輸出最大功率。穩(wěn)態(tài)時(MPPT尋優(yōu)過程結(jié)束)，算法不斷檢測光伏陣列的輸出功率，當檢測到的光伏輸出功率變化大于某個值(ΔP)時，表明光伏陣列可能因為光照、溫度或遮擋等原因改變了輸出特性，此時需要重新啟動掃描過程以獲得光伏陣列新的最大功率點。邊界掃描MPPT方法的算法流程如圖7所示。

圖7 邊界掃描MPPT算法流程

3 仿真結(jié)果

在MATLAB/Simulink中搭建如圖1所示的基于DSTATCOM技術(shù)的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真模型。仿真時，考慮光照強度變化對光伏陣列輸出電壓和功率的影響，開始時，光伏陣列處于圖6中曲線①的輸出狀態(tài)，在0.2 s跳變?yōu)榍€②輸出，在0.4 s跳變?yōu)榍€③輸出并保持到仿真結(jié)束。對于交流側(cè)，在0.6 s以前配電網(wǎng)空載，在0.6 s時刻給配電網(wǎng)同時加入4 kW的有功負載和4 kW的感性無功負載(此時光伏陣列的輸出功率約為2 kW)，驗證PVPC系統(tǒng)的并網(wǎng)和無功補償功能。仿真模型的其他仿真參數(shù)如表1所示。

表1 PVPC系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖8 直流鏈仿真結(jié)果

配電網(wǎng)空載時PVPC交流側(cè)輸出功率的仿真結(jié)果如圖9所示，取0.35 s～0.55 s，其中0.4 s～0.52 s為光伏陣列MPPT尋優(yōu)過程，“ua”是配電網(wǎng)a相電壓；“iP”是PVPC發(fā)出的a相并網(wǎng)電流；“iG”是配電網(wǎng)的a相電流。結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)時，PVPC發(fā)出的并網(wǎng)電流與配電網(wǎng)的電流幅值相等、相位一致且與電壓相位相差π，表明PVPC把光伏陣列的直流電能全部轉(zhuǎn)化為有功電能饋送給配電網(wǎng)，PVPC與配電網(wǎng)之間沒有無功功率交互。

圖9 配電網(wǎng)空載時仿真結(jié)果

配電網(wǎng)負載時PVPC交流側(cè)輸出功率的仿真結(jié)果如圖10所示，取0.54 s～0.7 s，其中負載是在0.6 s時加入。結(jié)果顯示，穩(wěn)態(tài)時，PVPC發(fā)出的并網(wǎng)電流包括有功電流和容性無功電流。且負載同時從配電網(wǎng)和PVPC吸收有功電流，表明光伏陣列提供的有功功率不足以供有功負載的功率消耗，但無功負載并沒有從電網(wǎng)吸收無功電流，其消耗的無功功率全部由PVPC補償。

圖10 配電網(wǎng)負載時仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文將DSTATCOM無功補償技術(shù)應用到光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，使PVPC將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為有功電能并入配電網(wǎng)的同時對配電網(wǎng)的無功負載所消耗的無功功率進行就地補償，提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和并網(wǎng)設備的利用效率。提出的邊界掃描MPPT方法不僅速度快、精度高，而且系統(tǒng)直流側(cè)電壓震蕩次數(shù)少。仿真驗證了基于DSTATCOM的新型MPPT光伏并網(wǎng)方法的有效性和良好的動靜態(tài)性能。

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MPPT Photovoltaic Grid-connected Control Based on Boundary Scanning

Wang Wei, Zhou Youke, Li Ying, Du Wei

(Nanjing NARI Group Co., Nanjing Jiangsu 211106, China)

The randomnessand reactive load of photovoltaic power generation has a severe impact on the operational quality of the distribution network. To raise its power quality and utilization ratio of grid connection device, DSTATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator) is combined with the photovoltaic grid connection inverter to realize static var compensation. Furthermore, this paper presents the MPPT method based on boundary scanning, which has a high speed and accuracy and can reduce DC voltage shock. Finally, simulation results verify the effectiveness and good dynamic and static performance of the presented new MPPT photovoltaic grid connection.

DSTATCOM;photovoltaic GCPC;MPPT;boundary scanning; static var compensation

此項工作得到廣西科學研究與技術(shù)開發(fā)項目(12100002)和國家自然科學基金(51177018)資助

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.012

TM615

A

1000-3886(2016)06-0038-03

王偉(1976-)，男，湖北洪湖人，博士，研究員級高級工程師，主要研究方向：光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與工程實現(xiàn)，新能源接入電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究。 周又可(1977-)，男，江蘇泗陽人，碩士，工程師，研究方向：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究，新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究。 李瀛(1991-)，女，江蘇南京人，碩士，初級工程師，研究方向：光伏發(fā)電系統(tǒng)研究，新能源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究。 杜煒(1981-)，男，河南商丘人，博士，高級工程師，研究方向：光伏發(fā)電系統(tǒng)研究與工程實現(xiàn)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究。

定稿日期: 2016-06-23