兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其仿真研究

吳靜妹，紀(jì)　萍，胡徐勝

(河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

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兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其仿真研究

吳靜妹，紀(jì)萍，胡徐勝

(河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

以兩級(jí)式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)為控制對(duì)象，分析了整體系統(tǒng)的組成，研究了該光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的整體控制策略。前級(jí)最大功率跟蹤(MPPT)通過調(diào)節(jié)占空比擾動(dòng)控制算法進(jìn)行控制；后級(jí)采用雙環(huán)控制和電壓前饋瞬時(shí)控制方式。應(yīng)用Simulink平臺(tái)搭建仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，所選控制方式使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和快速性，實(shí)現(xiàn)了逆變輸出電流含有較小的總諧波畸變率、并與電網(wǎng)電壓同頻同相。

光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)；MPPT控制；雙環(huán)控制；前饋；總諧波畸變率

太陽能作為新型可再生能源之一，以其無污染、無噪聲、綠色、不枯竭等優(yōu)點(diǎn)[1-3]越來越受到人們的關(guān)注，是人類社會(huì)發(fā)展的重要標(biāo)志。光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用的形式之一，發(fā)電過程是將光伏陣列產(chǎn)生的直流逆變?yōu)榻涣鳎渲胁⒕W(wǎng)逆變器是發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)連接的關(guān)鍵設(shè)備。它的控制目標(biāo)是提高并網(wǎng)的發(fā)電效率以及降低成本，那么其控制方法的選擇就具有非常重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中，并網(wǎng)逆變器的控制方法有很多，傳統(tǒng)的方法多采用PI電流環(huán)控制或電壓控制，但是這種方法控制精度不高、響應(yīng)較慢，同時(shí)都需要對(duì)正弦電流進(jìn)行跟蹤，控制效果不盡如人意[4-5]。為解決上述問題，以兩級(jí)式單相逆變系統(tǒng)為控制對(duì)象，前級(jí)DC/DC實(shí)現(xiàn)最大功率控制，后級(jí)DC/AC實(shí)現(xiàn)逆變控制[6-7]?；赟imulink仿真平臺(tái)，搭建最大功率跟蹤(MPPT)模塊、基于PI調(diào)節(jié)器的雙環(huán)加電壓前饋控制模塊的仿真模型。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了所選控制算法的有效性以及兩級(jí)式單相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1　單相兩級(jí)式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)組成

兩級(jí)式單相逆變系統(tǒng)的拓?fù)溆汕凹?jí)DC/DC及后級(jí)DC/AC組成，如圖1所示。前級(jí)主要實(shí)現(xiàn)MPPT控制，后級(jí)主要實(shí)現(xiàn)逆變控制，濾波器主要濾除DC/AC輸出信號(hào)中的高次諧波。相比單級(jí)式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要隔離變壓器、體積小，所以目前兩級(jí)式拓?fù)鋺?yīng)用非常廣泛[8]。

圖1兩級(jí)式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中主要參數(shù)名稱如表1所示。

表1　參數(shù)名稱

上述參數(shù)之間滿足：

(1)

2　單相兩級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體控制方案

系統(tǒng)總體的控制框圖如圖2所示。前級(jí)DC/DC實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，采用P&O控制算法，后級(jí)實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，采用正弦脈沖電流電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)跟蹤及電壓前饋控制方式。

圖2單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)總體控制框圖

2.1MPPT控制算法

由于太陽能電池具有強(qiáng)烈的非線性，系統(tǒng)工作點(diǎn)不穩(wěn)定，因此MPPT控制是必要的，以便在任何條件下不斷獲得最大功率輸出。常用的MPPT控制方法有CVT、P&O、IC、人工智能算法等[9-11]。本文采用基于占空比(D)直接擾動(dòng)控制算法來實(shí)現(xiàn)MPPT。

基于占空比D直接擾動(dòng)控制算法是對(duì)光伏電池輸入電壓進(jìn)行周期性的擾動(dòng)，然后比較擾動(dòng)前后的輸出功率，根據(jù)其大小的比較來決定下周期占空比是增大還是減小，具體操作程序流程如圖3所示。如此不停地觀察調(diào)節(jié)，使PV電池工作在最大功率附近。流程圖中變量Ppv(n)、Ppv(n-1)表示組件當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的功率，Upv(n)、Upv(n-1)表示組件當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻電壓，D為占空比。

圖3　MPPT控制流程圖

2.2后級(jí)逆變器控制策略

并網(wǎng)逆變控制的目標(biāo)是控制逆變電路輸出的交流電流為穩(wěn)定的、含THD較低的、同頻同相的正弦波[12-13]。本文采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)及電壓前饋瞬時(shí)控制方式，此控制具有輸出波形較好、諧波含量較少、控制簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快等優(yōu)點(diǎn)。其中正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電流內(nèi)環(huán)電網(wǎng)電壓前饋控制框圖如圖4所示。

圖4SPWM電流內(nèi)環(huán)加電壓前饋控制框圖

由圖4可得后級(jí)控制的前向開環(huán)傳遞函數(shù)是

G(s)=G1(s)G2(s)G3(s)

(2)

閉環(huán)傳遞函數(shù)是

(3)

擾動(dòng)傳遞函數(shù)是

(4)

即擾動(dòng)誤差

(5)

當(dāng)G4(s)=-1/G2(s)時(shí)，擾動(dòng)誤差為零。由上式推導(dǎo)知，當(dāng)前饋補(bǔ)償條件合適時(shí)，電網(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)可以完全消除。

3　仿真分析

(a)并網(wǎng)電流輸出 (b)諧波分析

圖5基于雙環(huán)前饋控制并網(wǎng)電流輸出及諧波分析

改變L的值，并網(wǎng)電流輸出波形及諧波分析如圖6所示。

由于udc為DC-link輸出的電壓，它受到光照強(qiáng)度S和外界溫度T影響，所以就S、T變化時(shí)對(duì)udc影響做如下仿真分析。

(1)當(dāng)S、L不變，T由25 ℃變化到50 ℃時(shí)， udc輸出、功率因數(shù)輸出如圖7所示。

(a)udc輸出 (b)功率因數(shù)

圖7T發(fā)生變化時(shí)udc及功率因數(shù)輸出

(2)當(dāng)T、L不變，S由800W/m2變化到1 000W/m2時(shí)，DC-link輸出電壓(udc)、功率因數(shù)輸出如圖8所示。

(a)udc輸出 (b)功率因數(shù)

圖8S發(fā)生變化時(shí)udc及功率因數(shù)輸出

從圖5～8可以看出，雙環(huán)加前饋控制輸出的并網(wǎng)電流諧波總畸變率很小，當(dāng)電感發(fā)生變化時(shí)其變化也很小，并且當(dāng)外界輸入光照強(qiáng)度或溫度發(fā)生變化時(shí)，Boost輸出電壓能夠很快達(dá)到參考電壓400 V左右，上下幅度變化不大(0～1 V)。同時(shí)，并網(wǎng)電流也可以很快跟蹤上并網(wǎng)電壓，功率因數(shù)接近1，可以很好地達(dá)到并網(wǎng)要求。

4　結(jié)　　論

本文以單相兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)為控制對(duì)象，對(duì)MPPT和逆變進(jìn)行獨(dú)立控制，由仿真波形可以看出，對(duì)MPPT采用D改變的電壓擾動(dòng)算法控制具有一定的準(zhǔn)確性和有效性。后級(jí)逆變控制采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)加電壓前饋控制，通過仿真驗(yàn)證了其可靠性。當(dāng)光照強(qiáng)度與外界溫度發(fā)生變化時(shí)，對(duì)其DC-link電壓變化進(jìn)行仿真分析，上下幅度變化很小，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

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System Simulation of Double-Stage Single-Phase Photovoltaic Inverter

WU Jing-mei1, JI Ping2, HU Xu-sheng2

(Wentian College, Hohai University, Ma′anshan,Anhui 243002, China)

Taking the double-stage single-phase photovoltaic grid inverter system as a core of this paper, we analyzed the overall control composition and studied the whole of the PV grid inverter system control strategy. MPPT algorithm based on the observation of the disturbance voltage and the back level voltage-current double loop control strategy based on feed forward are adopted, whose properties are studied and simulated. Finally, the theoretical analysis and experimental are verified based on the Simulink platform. The results show that the control method makes system have better stability and rapidity. At the same time, we realize the inverter output current containing lower total harmonic distortion rate (THD), which has the same frequency and phase as the grid.

photovoltaic grid-connected inverter system; maximum power point tracking control; dual-loop control; feed-forward; total harmonic distortion rate

2016-03-10

河海大學(xué)文天學(xué)院校級(jí)科研基金(WT15006)。

吳靜妹，女，安徽馬鞍山人，碩士，河海大學(xué)文天學(xué)院教師，主要從事并網(wǎng)逆變器及諧波分析研究。E-mail: szwujingmei@126.com

時(shí)間：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.017.html

TM464

A

1007-4260(2016)03-0057-05

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.017