光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出控制研究

夏向陽(yáng)，王錦瀧，易浩民，賈晉峰，張貴濤，王霖浩，李理，李靈利(.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，404；.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司，重慶，40400；.國(guó)網(wǎng)浙江平湖市供電公司，浙江 嘉興，400)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出控制研究

夏向陽(yáng)1，王錦瀧1，易浩民1，賈晉峰2，張貴濤1，王霖浩1，李理1，李靈利3
(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114；
2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司市區(qū)供電分公司，重慶，404100；
3.國(guó)網(wǎng)浙江平湖市供電公司，浙江 嘉興，314200)

針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率輸出低的問題，提出從優(yōu)化最大功率點(diǎn)跟蹤和并網(wǎng)控制2個(gè)方面綜合考慮的方案。對(duì)于光伏陣列的最大功率輸出，提出一種改進(jìn)的模擬退火-粒子群優(yōu)化算法(PSO-SA)；對(duì)于并網(wǎng)功率控制，提出多參數(shù)逆變器復(fù)合控制以及直流側(cè)電壓和幅值穩(wěn)定的控制策略，通過Matlab/Simulik軟件搭建相關(guān)模型并進(jìn)行仿真。研究結(jié)果表明：模擬退火-粒子群優(yōu)化算法(PSO-SA)能夠解決遮蔭情況下全局最大功率點(diǎn)跟蹤問題，避免光伏陣列陷入局部最大功率點(diǎn)，減少光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量損失；多參數(shù)逆變器復(fù)合控制以及直流側(cè)電壓和幅值穩(wěn)定的控制策略能實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率穩(wěn)定輸出，使能源利用率最高。仿真結(jié)果驗(yàn)證了這些方案的可行性和有效性。

；最大功率點(diǎn)跟蹤;光伏并網(wǎng)發(fā)電；功率優(yōu)化控制

隨著全球可再生能源的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能已經(jīng)成為可再生能源的重要組成部分，光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究也越來越深入。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列和并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)功率傳輸，傳輸電網(wǎng)的功率與光伏發(fā)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、逆變器控制、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)等有關(guān)[1]。最大功率點(diǎn)的跟蹤直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。在不考慮遮蔭的情況下，通過P&O(擾動(dòng)觀察法)可以很好地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤，但在實(shí)際中，由于光伏板可能受到遮蔭效果的影響，光伏電池的功率輸出呈現(xiàn)多峰值的現(xiàn)象，簡(jiǎn)單的單峰值MPPT控制會(huì)造成遮蔭部分能量損失。彭志輝等[2]給出了一種優(yōu)化的擾動(dòng)觀察算法，該方法為尋優(yōu)問題中采樣周期的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用，但存在一定的功率損失和響應(yīng)速度慢的問題。徐彭濤等[3]采用一種基于觀測(cè)的變步長(zhǎng)自適應(yīng)MPPT算法，該算法具有不需要人為干涉尋找最優(yōu)值的優(yōu)點(diǎn)，但需要以精確的觀測(cè)和判斷為基礎(chǔ)。隨著智能算法的發(fā)展，不少學(xué)者傾向于一些新思想基礎(chǔ)上發(fā)展起來的MPPT算法，如模糊控制算法、蟻群算法、粒子群算法等。李興鵬等[4]將非對(duì)稱模糊MPPT和模糊PID相結(jié)合，能夠動(dòng)態(tài)地改變參考電壓步長(zhǎng)以更好地適應(yīng)外界環(huán)境變化，但其控制方法較復(fù)雜。王平等[5]考慮了一種基于粒子群(PSO) 的MPPT光伏最大功率追蹤算法，該算法具有尋找全局最優(yōu)的特點(diǎn)，能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤到光伏電池的最大功率點(diǎn)，而且有效地減小了輸出功率的振蕩，但其控制性能還可以進(jìn)一步改進(jìn)。此外，光伏系統(tǒng)經(jīng)過MPPT最大功率追蹤后還存在后級(jí)功率輸出優(yōu)化的問題。因此，許多研究者著手研究如何合理地進(jìn)行功率優(yōu)化與分布式并網(wǎng)控制。如夏向陽(yáng)等[6]提出了一種基于DSP控制的單相光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)技術(shù)方案，可以較好地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓鎖相控制，但在電流控制算法上仍存在不足。陳燕東等[7]考慮一種無延時(shí)的單相光伏并網(wǎng)功率控制策略，這種方法解決了傳統(tǒng)單相無功電流檢測(cè)存在較大的延時(shí)不足的問題，但沒有涉及三相的并網(wǎng)功率優(yōu)化輸出。郭小強(qiáng)等[8]通過研究不平衡電網(wǎng)電壓下系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)的原因，提出了1種靜止坐標(biāo)系的控制方法，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行性能，但沒有考慮光伏功率的前級(jí)最大功率輸出?；谏鲜龇治?，本文作者提出一種方法即改進(jìn)的模擬退火-粒子群算法，對(duì)遮蔭情況下光伏列陣的全局最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)全局最大功率點(diǎn)準(zhǔn)確跟蹤的同時(shí)，加快搜索速度，減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量損失；然后在追蹤最大功率的基礎(chǔ)上分析光伏并網(wǎng)的后級(jí)并網(wǎng)功率優(yōu)化控制。

1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

圖1　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1　Topology of photovoltaic grid-connected generation system

典型的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，其主要由光伏電池板、BOOST斬波電路、逆變電路等主要部分組成。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制部分包括MPPT控制、并網(wǎng)電流控制、鎖相控制、濾波器的控制等。光伏陣列的輸出功率直接關(guān)系到光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率效率，其最大功率點(diǎn)的跟蹤需要MPPT控制BOOST斬波電路來實(shí)現(xiàn)；光伏并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流控制包括滯環(huán)控制、無差拍控制、重復(fù)控制等；鎖相控制可以保證并網(wǎng)的波形與電網(wǎng)波形同頻、同相、同幅值。光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制和逆變器控制對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率有重要的影響。

三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最常用的是電壓型逆變器(VSC)。光伏電池陣列通過DC-DC變換器連接到VSC，然后經(jīng)過VSC逆變器接入電網(wǎng)。VSC逆變器由6個(gè)IGBT組成，Vpv為光伏板直流側(cè)輸出的電壓，Cdc為直流側(cè)電容，Rf1和Rf2為濾波器LCL的濾波電阻，Rf為濾波器的阻尼電阻，Lf1和Lf2為L(zhǎng)CL的電感，Cf為濾波器的電容。逆變器向電網(wǎng)輸送的電流為iCa，iCb和iCc。光伏并網(wǎng)逆變器通過濾波電感Lf連接到配電網(wǎng)中，三相交流電源電壓為usa，usb和usc，三相交流電源電流為isa，isb和isc，PCC點(diǎn)的電壓為ua，ub和uc。

2　優(yōu)化控制方案

2.1光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤

由于光伏電池可以看作電流源，光伏板發(fā)出的功率與輸出電壓有關(guān)，通過PWM調(diào)節(jié)BOOST斬波電路的占空比可以實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而找到最大功率點(diǎn)。單個(gè)光伏電池可以等效為1個(gè)理想電流源Isc與二極管D的并聯(lián)，考慮到光伏電池本身產(chǎn)生的損耗和受天氣的影響，其等效模型需要并聯(lián)1個(gè)電阻Rp，串聯(lián)1個(gè)電阻Rs。

假設(shè)光伏陣列中并聯(lián)的光伏電池板有Np個(gè)，串聯(lián)的光伏電池板有Ns個(gè)，則光伏陣列的等效電路圖如圖2所示。

圖2　光伏陣列的等效電路圖Fig.2　Equivalent circuit diagram of photovoltaic array

圖2中：Isa為光伏陣列輸出的電流；Vsa為光伏陣列輸出的電壓；NpIsc為理想電流源發(fā)出的電流；dIˊ為流過串聯(lián)二極管的電流；pIˊ為流過圖2中并聯(lián)電阻的電流；)/(psNN×pR為并聯(lián)電阻；)/(psNN×sR為串聯(lián)電阻。光伏陣列輸出的電流Isa表示為

流過二極管的電流dIˊ表示為

流過并聯(lián)電阻的電流pIˊ表示為

其中：Isat為二極管的反向飽和電流；q為電子的電荷量，其值為1.6×10-19C；A為二極管的PN結(jié)特性因子；k為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K4；T為光伏電池的溫度，單位為K。

若不考慮光伏電池的遮蔭情況，則在相同溫度、不同光照條件下，光伏板的電流-電壓輸出特性曲線和功率-電壓特性曲線分別如圖3和圖4所示。其輸出的功率曲線呈現(xiàn)單峰值的特性，光伏板輸出功率的最大功率點(diǎn)(the maximum power point，MPP)只有1個(gè)。

在考慮遮蔭的情況下，光伏陣列的部分可能受光照強(qiáng)度的影響。圖5所示為光伏陣列處于部分遮蔭情況下的結(jié)構(gòu)示意圖。由于光伏板可能受到遮蔭效果的影響，光伏電池的功率輸出呈現(xiàn)多峰值的現(xiàn)象，簡(jiǎn)單的單峰值MPPT控制會(huì)造成遮蔭部分的能量損失[9]。

圖3　25℃時(shí)不同光照下的U-I特性曲線Fig.3　U-I curves under different irradiation levels at 25℃

因此，光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤此時(shí)需要一種全局最優(yōu)解尋找算法，本文作者應(yīng)用一種改進(jìn)的模擬退火-粒子群算法(particle swarm optimization algorithm-simulated annealing，PSO-SA)對(duì)遮蔭情況下光伏列陣的全局最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤[10-13]。該算法能夠通過適應(yīng)度函數(shù)來判斷每個(gè)粒子對(duì)目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)度，并尋找輸出功率最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光伏板輸出電壓，得到全局最優(yōu)解。

圖4　25℃時(shí)不同光照下的P-U特性曲線Fig.4　P-U curves under different irradiation levels at 25℃

圖5　光伏列陣在遮蔭情況下的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5　Schematic diagram of photovoltaic array in shade

2.2光伏并網(wǎng)逆變器的功率控制

2.2.1光伏并網(wǎng)的滯環(huán)控制

為了更好地滿足光伏并網(wǎng)的需求，克服傳統(tǒng)太陽(yáng)能逆變裝置的控制方法，本文提出一種多參數(shù)滯環(huán)電流復(fù)合控制方法即電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式。該控制過程的電壓外環(huán)包含的控制器有準(zhǔn)PR控制器、重復(fù)控制器，電流內(nèi)環(huán)包含1種多參數(shù)自適應(yīng)的滯環(huán)電流控制器。整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。該控制方法的控制思想是：引入設(shè)置1個(gè)環(huán)寬為h反饋、在系統(tǒng)擾動(dòng)大時(shí)采用將準(zhǔn)PR控制與多參數(shù)滯環(huán)電流控制相結(jié)合的方法，在系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)時(shí)采用重復(fù)控制與多參數(shù)滯環(huán)電流控制結(jié)合的方法。

圖6　多參數(shù)光伏滯環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)原理圖Fig.6　Principle diagram of multi-parameter photovoltaic hysteresis composite control structure

圖8所示為逆變器電壓外環(huán)復(fù)合控制的結(jié)構(gòu)框圖，其表示的是準(zhǔn)PR控制器與重復(fù)控制器的并聯(lián)式復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。采用復(fù)合控制后，系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力加強(qiáng)。采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，只要控制器設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)就能獲得比較好的抗擾動(dòng)特性。整個(gè)電壓外環(huán)的函數(shù)關(guān)系為

圖8中：z-N為周期延遲環(huán)節(jié)；Q(z)為小于1的常數(shù)環(huán)節(jié)；S(z)為補(bǔ)償環(huán)節(jié)； zk為相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)；?為比例因子；d(z)為擾動(dòng)輸入；e(z)為跟蹤誤差；y(z)為輸出；KPR(s)為準(zhǔn)比例諧振的傳遞函數(shù)。

2.2.2光伏并網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制

20世紀(jì)80年代，赤木泰文提出了三相電路的瞬時(shí)無功功率理論[14]。該理論突破了傳統(tǒng)的功率定義，系統(tǒng)定義了瞬時(shí)無功功率和瞬時(shí)有功功率。本文逆變器的控制應(yīng)用了瞬時(shí)無功功率方法，光伏并網(wǎng)逆變器的控制框圖如圖9所示。

對(duì)光伏逆變器直流側(cè)電壓Vdc進(jìn)行調(diào)節(jié)可以減少直流側(cè)電壓的波動(dòng)，減少光伏并網(wǎng)發(fā)電所帶來的能量損失，保證并網(wǎng)逆變器更有效的控制[15-16]，如圖9所示。光伏并網(wǎng)逆變器直流側(cè)實(shí)際電壓Vdc與參考電壓Vdcf的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到電流idc，并通過加法器與瞬時(shí)無功電流直流分量相加得到。電流idc的補(bǔ)償分量可表示為：

圖7　逆變器復(fù)合控制框圖Fig.7　Hybrid control block diagram of inverter

圖8　電壓外環(huán)復(fù)合控制的結(jié)構(gòu)框圖Fig.8　Structure block diagram of voltage outer loop compound control

其中：vde(k)為直流側(cè)參考電壓vdcf(k)與實(shí)際電壓vdc(k)的第k次樣本電壓誤差；Kpp和Kip分別為比例增益和積分增益。將Δidc疊加到有功電流直流分量上，有

補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)參考電流(isaf，isbf和iscf)產(chǎn)生補(bǔ)償電流和光伏發(fā)電有功功率注入電網(wǎng)。

PCC點(diǎn)的電壓穩(wěn)定可以通過補(bǔ)償無功功率來實(shí)現(xiàn)。設(shè)Vm為三相電壓的幅值，

圖9中Vmf為幅值電壓的參考值，其差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號(hào)Δimf。減去Δimf，經(jīng)運(yùn)算，指令信號(hào)isf包含一定的基波無功電流，補(bǔ)償電流由PWM控制電路將需補(bǔ)償?shù)碾娏髯⑷腚娋W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏逆變器直流側(cè)與交流側(cè)的能量交換，將PCC點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)至穩(wěn)定值。可表示為

圖9　光伏并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.9　Control block diagram of photovoltaic grid connected inverter

無功電流分量mfiΔ可表示為

式中：vte(k)為vmf和vm第k次樣本電壓之差；Kpq和Kiq分別為PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益。

3　仿真結(jié)果

電網(wǎng)電源、負(fù)載以及并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓的初始取值分別為25，35和45 V。并網(wǎng)逆變器電流環(huán)逆變系統(tǒng)采用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)，設(shè)實(shí)驗(yàn)中的光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓幅值為380 V，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為a相。為模擬遮蔭情況下的結(jié)果，將光伏模塊的光照強(qiáng)度設(shè)置為600 W/m2。仿真時(shí)間設(shè)定為0.3 s，系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖10~12所示。三相負(fù)載為非線性平衡負(fù)載。

在遮蔭情況下，分別利用模擬退火-粒子群優(yōu)化算法(PSO-SA)和傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏陣列輸出的最大功率進(jìn)行仿真分析，基于PSO-SA和P&O算法的MPPT比較如圖10所示。

表1　仿真參數(shù)Table 1　Simulation parameters

由于受到非線性負(fù)載和并網(wǎng)逆變器的影響，并網(wǎng)電流會(huì)產(chǎn)生一定諧波，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的滯環(huán)控制和電壓穩(wěn)定控制下，其輸出的電壓和電流的波形如圖11所示。

在未進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率控制下，其功率的輸出如圖12所示。經(jīng)過光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制和光伏并網(wǎng)逆變器控制后，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率波形如圖13所示。對(duì)比圖12和圖13可以看出：最大功率控制下的功率更高，而功率的波動(dòng)更小，表明光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率輸出控制策略是有效的。

圖10　基于PSO-SA和P&O算法的MPPT比較Fig.10　Comparation of MPPT based on PSO-SAand P&O algorithm

圖11　光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出的電壓電流波形Fig.11　Voltage and current waveform of grid connected photovoltaic power generation system

圖12　采用傳統(tǒng)控制策略下的功率輸出波形Fig.12　Power output waveform under traditional control strategy

圖13　最大功率控制下的功率輸出波形Fig.13　Power output waveform under the maximum power control

4　結(jié)論

1)從光伏最大功率輸出的角度出發(fā)，考慮系統(tǒng)前級(jí)最大功率輸出和后級(jí)光伏逆變器并網(wǎng)功率的優(yōu)化控制方案。對(duì)于前級(jí)最大功率輸出，考慮一種改進(jìn)的PSO-SA算法解決全局最大功率點(diǎn)追蹤問題，避免了光伏陣列對(duì)于局部最大功率點(diǎn)的跟蹤，實(shí)現(xiàn)了全局最大功率點(diǎn)跟蹤，提高了光伏陣列的輸出功率。

2)對(duì)于后級(jí)并網(wǎng)功率控制，提出多參數(shù)逆變器復(fù)合控制以及直流側(cè)電壓和幅值穩(wěn)定的控制策略，減少了逆變器的損耗，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率輸出。將所述的控制方案運(yùn)用到仿真中，驗(yàn)證了本文提出的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性。

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(編輯陳燦華)

Research on the maximum power output control of photovoltaic generation system

XIAXiangyang1,WANG Jinlong1,YI Haomin1,JIAJingfeng2,ZHANG Guitao1, WANG Linhao1,LI Li1,LI Linli3
(1.College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science&Technology, Changsha 410114,China;
2.Urban Power Supply Branch Company,State Grid Chongqing Electric Power Company,Chongqing 404100,China;
3.State Grid Pinghu Zhejiang Power Supply Company,Jiaxing 314200,China)

In view of the low power output of photovoltaic grid-connected generation system,the method of optimal maximum power point tracking and the grid connected control were proposed.For the photovoltaic array maximum power output problems,a kind of improved simulated annealing particle swarm optimization algorithm(PSO-SA)was put forward.For grid connected power control,the multi parameter inverter composite control and DC side voltage and amplitude stability control strategy was put forward.The related model was built by Matlab/Simulik software.The results show that this algorithm can solve the global maximum power point tracking(GMPPT)problem in the shade,and reduce the photoelectric conversion system energy loss.The multi parameter inverter composite control and DC side voltage and amplitude stability control strategy can realize the power system maximum power output,achieve the optimal energy utilization.The simulation results show that the proposed schemes are feasible and effective.

the maximum power point track;photovoltaic grid-connected power generation;power optimal control

夏向陽(yáng)，博士(后)，教授，碩士生導(dǎo)師，從事電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究；E-mail:xia_xy@126.com

TM615

A

1672-7207(2016)07-2296-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.017

2015-07-02；

2015-09-23

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JJ5027)；重慶市電力公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2016渝電科技自60#)(Project(2011JJ5027) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province;Project(Yudian 60#)supported by the Science and Technology Chongqing Electric Power Company)