光伏發(fā)電系統(tǒng)利用直流異步電機并網(wǎng)控制方法的研究*

孫　穎，　張建成

(華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定　071003)

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孫穎，張建成

(華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定071003)

摘要：針對光伏并網(wǎng)逆變器存在成本高、故障率高、諧波含量大及控制復(fù)雜等問題，提出了一種實用的光伏發(fā)電系統(tǒng)利用直流-異步電機并網(wǎng)的方案。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中直流電機和籠型異步電機同軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)直流電能和交流電能之間的轉(zhuǎn)換。由光伏電源為直流電機供電，直流電機拖動異步電機完成電機的起動過程；當電機轉(zhuǎn)速接近同步速時并網(wǎng)開關(guān)合閘，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，通過調(diào)節(jié)直流電機的端電壓實現(xiàn)對異步電機輸出有功功率的控制，保證直流母線電壓的穩(wěn)定。在MATLAB/Simulink環(huán)境下對光伏電源利用直流-異步電機并網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果驗證了該方案的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞:光伏并網(wǎng)發(fā)電； 直流電機； 籠型異步電機； 有功功率控制

0引言

隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類對能源需求量的日益增加，以及傳統(tǒng)能源的日漸枯竭、環(huán)境污染等問題的日益嚴重，太陽能作為一種清潔且取之不盡、用之不竭的可再生能源引發(fā)人們的廣泛關(guān)注?？稍偕茉吹拈_發(fā)和利用成為解決能源危機、改變能源結(jié)構(gòu)的新途徑，光伏發(fā)電越發(fā)受到世界各國的關(guān)注。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)正在由獨立運行向并網(wǎng)發(fā)電運行方向發(fā)展，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)也逐漸成為光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)大多通過逆變器實現(xiàn)，逆變器存在成本高、故障率高和控制復(fù)雜等問題，且逆變器的并網(wǎng)運行存在諸多問題。文獻[1]指出，逆變器的強非線性會使其在一定條件下表現(xiàn)出復(fù)雜的不規(guī)則行為，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的正常并網(wǎng)運行。文獻[2]指出，電網(wǎng)電壓不平衡時，并網(wǎng)電流中將出現(xiàn)負序分量和諧波分量，引起逆變器輸出直流電壓，影響逆變器的穩(wěn)定運行和并網(wǎng)的電能質(zhì)量。這種影響在多臺逆變器并聯(lián)的情況下更為明顯。文獻[3-4]指出，逆變器輸出電流中的直流分量會影響逆變器本身的正常工作，對其直接負載造成損害，并使配電網(wǎng)變壓器飽和，導(dǎo)致過熱、跳閘，產(chǎn)生偶次諧波，損害電網(wǎng)負載。文獻[5]指出，相對于奇次諧波，并網(wǎng)逆變器偶次諧波對電網(wǎng)的危害更大。文獻[6]指出，逆變器同一橋臂上開關(guān)管的死區(qū)，變壓器磁心磁飽和，開關(guān)管的通態(tài)壓降以及電網(wǎng)電壓的失真等會造成并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生低次諧波。文獻[7-8]指出，并網(wǎng)逆變器的電流參考信號是通過對電網(wǎng)電壓的鎖相得到的，因此，電網(wǎng)背景諧波會對并網(wǎng)逆變器的電能質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響。與逆變器相比，電機成本低、壽命長，且直流電機具有優(yōu)異的調(diào)速性能，對轉(zhuǎn)速的控制易于實現(xiàn)[9-10]，籠型異步電機結(jié)構(gòu)簡單、并網(wǎng)控制容易、運行可靠且維護方便。因此，本文提出光伏電源利用直流電機和籠型異步電機實現(xiàn)并網(wǎng)的方案。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用該方案并網(wǎng)時電能質(zhì)量不受電網(wǎng)背景諧波的影響，且在大容量并網(wǎng)情形下能夠節(jié)約成本。

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

光伏電源利用直流-異步電機并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可見，該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、兩級DC/DC直流變換器、直流電機、籠型異步電機及控制系統(tǒng)組成。前級DC/DC變換器采用Boost升壓電路，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking， MPPT)控制，使光伏陣列維持最大功率輸出運行。后級DC/DC變換器采用Buck降壓電路，實現(xiàn)直流母線的穩(wěn)壓控制，使直流母線電壓在光伏陣列輸出功率變化時能夠穩(wěn)定在固定值。光伏陣列輸出的直流電能經(jīng)過直流電機轉(zhuǎn)換為機械能，帶動異步電機同軸旋轉(zhuǎn)，完成電機并網(wǎng)系統(tǒng)的起動過程。由自動裝置檢測和判斷，當異步電機轉(zhuǎn)速接近于同步速時并網(wǎng)開關(guān)合閘，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的互聯(lián)，并網(wǎng)后異步電機由電網(wǎng)勵磁實現(xiàn)發(fā)電，將機械能轉(zhuǎn)換為交流電能，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的能量傳遞。

2MPPT控制

光伏電池的輸出功率受工作環(huán)境如輻照度、負載和溫度等因素的影響而發(fā)生變化。在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點上。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，利用MPPT控制使光伏陣列在環(huán)境變化時維持最大功率點輸出是提高系統(tǒng)效率的重要方式。本文中的MPPT控制選用擾動觀察法，通過周期性改變光伏陣列的輸出端電壓來尋找最大功率運行點。若電壓變動后輸出功率增大，則電壓朝同一方向繼續(xù)變動；反之，若電壓變動后輸出功率減小，則在下一周期中令電壓朝向反方向變動，直至找到最大功率點為止。通過控制Boost電路中IGBT的開關(guān)狀態(tài)使光伏陣列工作在最大功率點?？刂圃砣鐖D2所示。

圖2　MPPT控制框圖

圖2中IPV為光伏陣列輸出電流，UPV為光伏陣列端電壓，UPV_ref為經(jīng)過最大功率跟蹤后得到的光伏陣列端電壓參考值，g為經(jīng)過控制器后得到的IGBT門極觸發(fā)信號。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制

光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)的目標是在電機轉(zhuǎn)速接近同步速時并網(wǎng)開關(guān)合閘，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。并網(wǎng)后，在光伏陣列輸出功率變化時，保證光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)側(cè)輸送功率與光伏陣列輸出功率間的平衡，保持直流母線電壓的穩(wěn)定。

3.1系統(tǒng)功率與直流電壓的關(guān)系

系統(tǒng)功率流動與直流母線電壓的關(guān)系可表示為

(1)

式中：Cdc——直流母線并聯(lián)電容器的電容值；

Udc——直流母線電壓；

PPV——光伏陣列經(jīng)MPPT控制的輸出功率；

PR——直流負荷消耗的功率；

Pout——光伏電源經(jīng)過電機并網(wǎng)系統(tǒng)向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β省?/p>

3.2功率調(diào)節(jié)原理

在額定勵磁下，忽略電樞反應(yīng)，直流電機的電樞回路電壓平衡方程為[9]

(2)

式中：Ua——直流電機端電壓；

Ra、ia、L——電樞回路電阻、電流、電感；

E——電機反電動勢；

Ce——電動勢常數(shù)；

n——電機轉(zhuǎn)速。

直流電機軸上的動力學(xué)方程為

(3)

式中：Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

TL——負載轉(zhuǎn)矩；

J——直流電機轉(zhuǎn)動慣量。

Te=CTia

(4)

式中：CT——電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

整理可得

(5)

由式(5)可見，當勵磁電流和電機參數(shù)一定且負載轉(zhuǎn)矩不變時，直流電機的轉(zhuǎn)速由電機端電壓決定，電機端電壓越大則直流電機轉(zhuǎn)速越高。

直流電動機的電磁功率為

Pe=Teω

(6)

式中：Pe——直流電機電磁功率；

ω——電機角速度。

整理可得

(7)

由式(7)可見，當負載轉(zhuǎn)矩一定時，直流電機的電磁功率由電機轉(zhuǎn)速決定，轉(zhuǎn)速越高時電磁功率越大。因此，通過調(diào)節(jié)直流電機的端電壓可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和電磁功率的調(diào)節(jié)。

異步電機的轉(zhuǎn)差率為

(8)

式中：n1——電機同步轉(zhuǎn)速。

異步電機的電磁功率與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系為

(9)

式中：PM——異步電機電磁功率；

m——相數(shù)；

p——定子極對數(shù)；

U1——定子端電壓；

r1、x1——定子電阻、電抗；

ω1——同步角速度；

f1——定子頻率。

由式(9)可見，異步電機并入電網(wǎng)后電機定子端電壓及頻率等值固定不變，異步電機的輸出功率與轉(zhuǎn)差率呈反比變化，即與電機轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)變化，與直流電機端電壓呈正相關(guān)變化。

可見，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，通過控制直流電機的端電壓，即控制與直流電機相連接的Buck電路中IGBT的開關(guān)狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電源向電網(wǎng)側(cè)輸送功率Pout的調(diào)節(jié)。當光伏陣列輸出功率增加時，通過調(diào)節(jié)Buck電路中IGBT的開關(guān)狀態(tài)使異步電機向電網(wǎng)輸送功率增加；反之，當光伏陣列輸出功率降低時，通過調(diào)節(jié)Buck電路中IGBT的開關(guān)狀態(tài)使異步電機向電網(wǎng)輸送功率減少，從而保證直流母線電壓的穩(wěn)定。直流母線穩(wěn)壓控制框圖如圖3所示。

圖3　直流母線穩(wěn)壓控制框圖

圖3中，Udc_ref為直流母線電壓參考值，s為經(jīng)過控制器后得到的IGBT門極觸發(fā)信號。

4仿真驗證

在MATLAB/Simulink環(huán)境下對光伏電源利用直流電機和籠型異步電機并網(wǎng)系統(tǒng)進行建模仿真。設(shè)定光伏陣列容量為5.6kW，直流負載為2kW，直流電機選用永磁電機，參數(shù)如下：PN=4kW，UN=300V，nN=1500r/min，Ra=0.18Ω，La=0.0036H，CT=2。籠型異步電機參數(shù)如下：PN=3.7kW，UN=400V，fN=50Hz，p=2。直流母線電壓參考值為500V。光伏陣列初始光照度設(shè)定為1000W/m2，在1.5s時光照度變?yōu)?00W/m2。

電機從靜止狀態(tài)開始起動，當自動裝置檢測到異步電機轉(zhuǎn)速接近同步速時并網(wǎng)開關(guān)合閘。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，通過調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)間的輸送功率實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果如圖4～7所示。

圖4　光伏陣列輸出功率

由圖4可見，光伏陣列經(jīng)過MPPT控制后在0.2s實現(xiàn)最大功率輸出，在1.5s光照度降低后，光伏陣列的輸出功率降低并迅速穩(wěn)定在新的最大功率點運行，MPPT達到了較好的控制效果。

圖5　電機轉(zhuǎn)速

由圖5可見，電機并網(wǎng)系統(tǒng)在0.2s開始起動，電機轉(zhuǎn)速開始上升，在0.4s時電機轉(zhuǎn)速達到同步速，此時光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)開關(guān)合閘，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。

圖6　異步電機輸出有功功率

由圖6可見，異步電機在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)前不發(fā)出電能，在0.4s并網(wǎng)開關(guān)合閘后，異步電機由電網(wǎng)提供勵磁電流，開始發(fā)電運行，光伏發(fā)電系統(tǒng)開始向電網(wǎng)側(cè)輸送功率，在1.5s光伏陣列輸出功率降低后，為保證直流母線電壓的穩(wěn)定，異步電機輸出功率下降并穩(wěn)定在新的功率輸出運行。

圖7　直流母線電壓

由圖7可見，直流母線經(jīng)過升壓過程后電壓穩(wěn)定在參考值大小，在1.5s光伏陣列輸出功率降低后，直流母線電壓依然穩(wěn)定在參考值大小，直流母線電壓得到了較好的控制效果。

5結(jié)語

針對光伏并網(wǎng)逆變器存在成本高、故障率高、諧波含量大及控制復(fù)雜等問題，本文提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)利用直流-異步電機并網(wǎng)的方案。該并網(wǎng)方案中，由光伏電源為直流電機供電，帶動異步電機同軸旋轉(zhuǎn)，完成電機的起動過程，當電機轉(zhuǎn)速接近同步速時并網(wǎng)開關(guān)合閘，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。光伏系統(tǒng)并入電網(wǎng)后，通過調(diào)節(jié)直流電機的端電壓實現(xiàn)對光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)側(cè)輸送有功功率的控制，保證直流母線電壓的穩(wěn)定。光伏系統(tǒng)采用該方案并網(wǎng)時，對光伏系統(tǒng)側(cè)輸送的有功功率調(diào)節(jié)原理簡單，不需要復(fù)雜的控制過程，對功率的調(diào)節(jié)易于實現(xiàn)。仿真結(jié)果證實了該方案的正確性和可行性。

【參 考 文 獻】

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Research on Control Method of Photovoltaic Grid

Connected with DC-Asynchronous Motor

SUNYing，ZHANGJiancheng

(Department of Electrical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

Abstract：According to the shortcoming of photovoltaic grid connected inverter with high cost， high failure rate， large harmonic content and complex control， a utility method of photovoltaic grid connected with DC-asynchronous motor was proposed. It consisted of a DC and asynchronous motor coaxial structure， and realized the conversion between DC and AC power. Asynchronous motor completed the starting process driven by DC motor whose power was supplied by photovoltaic and the connection switch would be closed when the motor speed was close to synchronous speed. When connected to grid， the active power output of asynchronous motor could be controled through the adjust of DC motor voltage，which could guarantee the stability of DC bus voltage. Based on MATLAB/Simulink simulation environment， the model of grid connected photovoltaic system with DC-asynchronous motor was build. The simulation results verified the correctness and feasibility of the method.

Key words：photovoltaic grid connected generation； DC motor； squirrel cage asynchronous motor； active power control

收稿日期：2015-08-31

中圖分類號：TM 615

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0072- 05

作者簡介：孫穎(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)研究；張建成(1965—)，男，教授，研究方向為新型儲能技術(shù)和可再生能源發(fā)電控制技術(shù)研究。

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51177047)