兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制研究

王要強(qiáng)　謝海霞　張美玲　馬小勇

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南　鄭州　450001）

兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制研究

王要強(qiáng)謝海霞張美玲馬小勇

（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州450001）

本文以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究其中的功率變換拓?fù)?、最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制策略。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)可以跟蹤光伏陣列環(huán)境條件的變化，準(zhǔn)確追蹤最大功率點(diǎn)，并且并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸送電能。

兩級(jí)式；光伏發(fā)電；并網(wǎng)逆變；功率變換

太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源，其開發(fā)利用對(duì)于促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展，緩解人類對(duì)能源需求的激增和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要的意義［1，2］。

并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能開發(fā)利用的一種重要形式，近年來得到了國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者的廣泛關(guān)注［3-5］。但是，太陽(yáng)能作為一種自然能源，受光照、溫度等外部環(huán)境因素的影響較大［6，7］。因此，如何保證發(fā)出的電能能夠滿足并網(wǎng)規(guī)范的要求，而且最大限度、穩(wěn)定地輸送到電網(wǎng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)容［8］。

本文以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，著重圍繞其中的電路拓?fù)?、最大功率跟蹤和并網(wǎng)控制策略展開，并通過MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，研究的內(nèi)容和得到的結(jié)論對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和參考價(jià)值。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1a為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。第一級(jí)為Boost升壓變換器，由電感Ldc、功率管V0和二極管VD組成，如圖1b所示，連接光伏陣列和后級(jí)變換單元，完成光伏陣列直流輸出電壓的抬升和最大功率跟蹤功能。第二級(jí)為DC/AC并網(wǎng)逆變拓?fù)?，采用三相全控半橋結(jié)構(gòu)，如圖1c所示，連接前級(jí)升壓變換單元與三相交流電網(wǎng)，將直流變換為工頻的交流電，通過三相電感以電流的形式注入電網(wǎng)。

假定三相并網(wǎng)電感參數(shù)一致，電網(wǎng)電壓平衡，并忽略功率橋路中的寄生參數(shù)因素，可以得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中，L為并網(wǎng)濾波電感；ω為電網(wǎng)電壓角頻率；id、iq為并網(wǎng)電流在d、q軸上的分量；sd、sq為開關(guān)函數(shù)的d、q軸表示形式。

圖1　兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2　最大功率跟蹤

為盡可能地發(fā)揮光伏陣列的發(fā)電效能，在Boost升壓環(huán)節(jié)的控制器中加入最大功率跟蹤環(huán)節(jié)，以使系統(tǒng)能最大限度地向電網(wǎng)輸送電能。

圖2為基于電導(dǎo)增量法的最大功率跟蹤算法流程圖。圖2中，U（k）、I（k）分別為k時(shí)刻光伏陣列電壓、電流采樣值；U（k-1）、I（k-1）分別為（k-1）時(shí)刻的電壓、電流值；?U為電壓調(diào)整步長(zhǎng)。

3　并網(wǎng)逆變策略

三相靜止坐標(biāo)系下的直接電流控制策略物理概念清晰，并且在單相與三相并網(wǎng)逆變中均適用，但指令電流為具有一定頻率、幅值和相角的正弦時(shí)變信號(hào)，不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，且不易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無靜差控制。

圖2　電導(dǎo)增量最大功率跟蹤算法

相比之下，兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制策略的指令電流為直流時(shí)不變信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無靜差控制，同時(shí)能夠?qū)o功和有功電流進(jìn)行獨(dú)立控制，便于注入電網(wǎng)有功能量和無功能量的解耦控制。

圖3為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變控制策略的基本框圖，主要包括以下幾個(gè)部分：①參考給定，直流電壓給定和q軸電流給定；②反饋測(cè)量，直流電壓udc，三相電網(wǎng)電壓ea、eb、ec和三相并網(wǎng)電流ia、ib、ic；③調(diào)節(jié)器，電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)中的調(diào)節(jié)器，在此均采用PI環(huán)節(jié)；④坐標(biāo)變換，三相并網(wǎng)電流clark、park變換和逆變器輸出電壓指令的park反變換；⑤PWM調(diào)制，將雙環(huán)控制的輸出量，即逆變器輸出電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的參考信號(hào)，通過SVPWM模塊轉(zhuǎn)換成6路合適的PWM控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率橋路；⑦同步鎖相，采樣得到的三相電網(wǎng)電壓送入同步鎖相環(huán)節(jié)PLL，得到電網(wǎng)電壓同步角θ。

以直流電壓外環(huán)的輸出信號(hào)為有功并網(wǎng)電流的給定信號(hào)，無功并網(wǎng)電流的給定信號(hào)設(shè)置為0，給定電流與實(shí)際電流相比較后，送入PI電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器的輸出加入解耦環(huán)節(jié)和電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)后，為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的并網(wǎng)逆變器交流輸出電壓參考信號(hào)，經(jīng)過park反變換后送入SVPWM模塊，然后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率橋路的PWM信號(hào)。

圖3　并網(wǎng)逆變控制策略原理框圖

4　仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換拓?fù)浼捌淇刂撇呗缘恼_性和有效性，在MATLAB/simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真研究。仿真中，光伏陣列的短路電流為3.45A，開路電壓為43.50V，最大功率點(diǎn)電流為3.15A，最大功率點(diǎn)電壓為35.00V。設(shè)定溫度在0～0.1s為25℃，0.1～0.2s驟降至0℃，0.2～0.3s又突增至25℃。

圖4為基于電導(dǎo)增量最大功率跟蹤算法的仿真結(jié)果。由圖4可以看出，系統(tǒng)在光伏陣列外部溫度發(fā)生突變時(shí)，光伏電池輸出功率能夠隨著光伏電池輸出電壓、電流的變化而變化，第一突變階段在0.02s時(shí)達(dá)到光伏陣列的最大功率點(diǎn)，并可以穩(wěn)定地以最大功率向網(wǎng)側(cè)功率變換單元輸送能量。

圖4　最大功率跟蹤算法的仿真輸出曲線

設(shè)定并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率為10kHz，電網(wǎng)電壓幅值為311V，電網(wǎng)電壓頻率為50Hz，直流母線電壓為550V。圖5為電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流的對(duì)比仿真波形。由圖5可以看出，并網(wǎng)電流變化平滑，正弦度好，且與電網(wǎng)電壓保持同頻、同相，能夠以單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸送電能。

圖5　并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓

5　結(jié)論

本文以兩級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其中的電路拓?fù)?、最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，并對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以跟蹤光伏陣列環(huán)境條件的變化，能夠準(zhǔn)確追蹤最大功率點(diǎn)，以最大功率向電網(wǎng)輸送電能，并且并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓保持同頻同相，功率因數(shù)高。本研究結(jié)果可以為光伏發(fā)電領(lǐng)域的理論發(fā)展及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供借鑒與參考。

［1］張世坤，許曉光.我國(guó)當(dāng)前的能源問題及未來能源發(fā)展戰(zhàn)略［J］.能源研究與信息，2004（4）：211-219.

［2］徐良才，郭英海.淺談中國(guó)主要能源利用現(xiàn)狀及未來能源發(fā)展趨勢(shì)［J］.能源技術(shù)與管理，2010（3）：155-157.

［3］N L Panwar，S C Kaushik，S Kothari.Role of Renewable Energy Sources in Environmental Protection：A Review［J］.Renewable&Sustainable Energy Reviews，2011（3）：1513-1524.

［4］羅宇強(qiáng)，譚建成，董國(guó)慶.級(jí)聯(lián)式光伏電站直流并網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗裕跩］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016（13）：14-19.

［5］余暢舟，張興，劉芳，等.組串式LC型光伏逆變器并網(wǎng)諧波環(huán)流及其抑制策略分析［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016（13）：77-84.

［6］王要強(qiáng)，王思謹(jǐn)，蔣建東，等.光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率特性分析及其平滑控制研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2016（4）：847-852.

［7］陳煒，艾欣，吳濤，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013（2）：26-39.

［8］A Zahedi.A Review of Drivers，Benefits，and Challenges in Integrating Renewable Energy Sources into Electricity Grid［J］. Renewable&Sustainable Energy Reviews，2011（9）：4775-4779.

Power Conversion Control of Two-stage PV Grid-connected Generation System

Wang YaoqiangXie HaixiaZhang MeilingMa Xiaoyong
（School of Electrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Two-stage PV grid-connected generation system was taken as the research object，the power conversion topology，maximum power point tracking and grid connected inverter control strategy were investigated.Simulation results showed that，the system could track the variation of the PV array outer environment factors，and then track the maximum power point of PV array accurately，the grid current could be the same frequency and phase with the grid voltage，the electrical power was conveyed into grid with unit power factor.

two-stage；PV generation；grid-connected inverter；power conversion

TM615

A

1003-5168（2016）06-0144-03

2016-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金（51507155）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2013M541990）；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（152300410046）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（14A470002）；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（142107000060）；鄭州大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例項(xiàng)目（YJSAL201507）。

王要強(qiáng)（1982-），男，博士，研究方向：新能源發(fā)電、電力控制與傳動(dòng)技術(shù)。