基于光儲(chǔ)直流微網(wǎng)逆變器的研究

陳景文， 張 蓉， 張 東， 周 鑫, 孟彥京

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

基于光儲(chǔ)直流微網(wǎng)逆變器的研究

陳景文， 張 蓉， 張 東， 周 鑫, 孟彥京

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

隨著微電網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛，其主體設(shè)備并網(wǎng)變流器的研究已成為核心關(guān)注點(diǎn).針對(duì)微網(wǎng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于三點(diǎn)比較跟蹤法和SVPWM技術(shù)的三相微網(wǎng)逆變器.分析了逆變器工作原理和結(jié)構(gòu)，并就微網(wǎng)逆變器MPPT算法和SVPWM的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì).在此基礎(chǔ)上，建立了基于SVPWM的微電網(wǎng)逆變器模型，仿真并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證所采用的MPPT和SVPWM方法的有效性.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的逆變器控制方法，本文的方法能夠更好地實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)電能的傳輸效果.

微電網(wǎng)； MPPT； SVPWM； 逆變器

0 引言

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1].在微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中，以光伏發(fā)電為分布式能源輔以儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)以其受地域限制較小和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢(shì)得到廣泛的使用[2，3].在微電網(wǎng)工作過程中，決定輸出電能質(zhì)量好壞的核心設(shè)備是逆變器[4].并網(wǎng)逆變器作為微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的能量變換接口裝置，系統(tǒng)的控制目標(biāo)在微網(wǎng)側(cè)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)，在并網(wǎng)側(cè)使逆變器的輸出電壓、電流與電網(wǎng)的電壓、電流達(dá)到幅值、相位、頻率相同，實(shí)現(xiàn)可靠并網(wǎng)的控制目的.

由于其重要性，近年來眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都對(duì)逆變器進(jìn)行了研究，目前主流的控制方法以SPWM為主，系統(tǒng)能夠滿足工程一般要求，但電能轉(zhuǎn)換效率和控制精度一般，基于此種情況，本文提出一種在三點(diǎn)比較跟蹤法指導(dǎo)下基于SVPWM的三相微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器的控制策略，將其應(yīng)用于直流微網(wǎng)系統(tǒng)，通過MPPT算法控制逆變器跟蹤微網(wǎng)中分布式能源的輸出狀態(tài)，利用升壓斬波電路對(duì)直流電進(jìn)行升壓后再經(jīng)過SVPWM方法控制逆變器并網(wǎng)輸出，實(shí)現(xiàn)電能并網(wǎng)的目的.在此設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，搭建數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，仿真并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此方法的有效性.

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的光儲(chǔ)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.其系統(tǒng)主要包含：電網(wǎng)、分布式電源(光伏+儲(chǔ)能)、直流側(cè)帶有DC-DC升壓電路的逆變器、濾波電路及控制器等.微網(wǎng)并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的目的是將分布式能源所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)化為交流電的形式注入電網(wǎng)，達(dá)到的結(jié)果是實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)向電網(wǎng)輸送有功電能.

圖1中光伏發(fā)電與儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)提供直流電；采用最大功率點(diǎn)跟蹤以及SVPWM對(duì)逆變器進(jìn)行控制，將所提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡渲械腄C-DC升壓斬波(boost)電路實(shí)現(xiàn)輸入直流電的升壓變換可適應(yīng)逆變器直流側(cè)低電壓輸入的情況；經(jīng)過LC濾波后進(jìn)行并網(wǎng)或給負(fù)載供電.

圖1 光儲(chǔ)直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖

2 逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制實(shí)現(xiàn)

直流微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.將實(shí)際系統(tǒng)中的光伏陣列轉(zhuǎn)換的電能供給逆變電路，電路的具體工作過程：分布式能源發(fā)的直流電，通過穩(wěn)壓電容進(jìn)行穩(wěn)壓后，將測(cè)量到的直流側(cè)的電壓(u)與電流(i)信號(hào)送給MPPT控制器，運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)升壓斬波電路(DC-DC)的IGBT管，進(jìn)行升壓變換，逆變側(cè)根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓、相位和幅值等信號(hào)結(jié)合SVPWM控制算法生成逆變橋上6個(gè)IGBT管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變橋進(jìn)行DC-AC變化，經(jīng)過濾波后，將同頻同相的交流電進(jìn)行并網(wǎng).

圖2 直流微網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖

2.1 最大功率跟蹤(MPPT)算法實(shí)現(xiàn)

MPPT的目的是指導(dǎo)電力電子電路的工作狀態(tài)使其達(dá)到最大可能利用分布式能源能量的目的，其主要應(yīng)用于以光伏為主體的微網(wǎng)逆變器控制中.其實(shí)施核心是尋找合適的MPPT控制算法，能在快速變化的外界環(huán)境條件下有效地跟蹤最大功率點(diǎn)，使逆變器時(shí)刻工作在最大功率點(diǎn)上.實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤有很多種方法[5]，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用效果，本文提出的是基于擾動(dòng)法下的三點(diǎn)比較跟蹤法.

三點(diǎn)比較跟蹤法是當(dāng)日照強(qiáng)度快速變化時(shí)而不快速移動(dòng)工作點(diǎn)，以減小擾動(dòng)損失.任意取a、b、c三點(diǎn)，取當(dāng)前工作點(diǎn)a為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)上一步判斷給出的擾動(dòng)方向擾動(dòng)到b點(diǎn)，之后反方向兩個(gè)擾動(dòng)步長擾動(dòng)至c點(diǎn)，分別測(cè)量這三點(diǎn)的功率，當(dāng)Pagt;Pc及Pb≥Pa時(shí)，記為“+”，反之記為“-”.

三點(diǎn)之間功率的比較判斷，有以下判斷規(guī)則：

(1)如果兩次擾動(dòng)的功率比較結(jié)果均為“+”則電壓值保持原方向擾動(dòng).

(2)如果兩次擾動(dòng)的功率比較結(jié)果均為“-”則電壓值反方向擾動(dòng).

(3)如果兩次擾動(dòng)的功率比較結(jié)果有“+”有“-”，可能已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)或者外部輻射照度變化很快，則電壓值保持不變.

圖3為實(shí)現(xiàn)此方法的流程圖.三點(diǎn)比較跟蹤法是基于擾動(dòng)觀測(cè)法的基礎(chǔ)上提出來的.當(dāng)t=0時(shí)檢測(cè)a點(diǎn)的電壓與電流；當(dāng)t=t+1時(shí)檢測(cè)b點(diǎn)的電壓與電流；當(dāng)t=t-1時(shí)檢測(cè)c點(diǎn)的電壓與電流；分別計(jì)算這三點(diǎn)的功率，并進(jìn)行比較，找出最大功率點(diǎn)，從而利用輸出最大功率點(diǎn)電壓對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制.

圖3 三點(diǎn)比較跟蹤法實(shí)現(xiàn)流程圖

2.2 SVPWM控制實(shí)現(xiàn)

目前SVPWM(電壓空間矢量脈寬調(diào)制)已經(jīng)成為了和SPWM并行的一種逆變器的調(diào)制技術(shù).SVPWM是一種基于空間旋轉(zhuǎn)矢量的等效控制，思想是利用矢量空間中有限的靜止矢量去合成和跟蹤調(diào)制波的空間旋轉(zhuǎn)矢量，使合成的空間矢量含有調(diào)制波的信息[6].與傳統(tǒng)的SPWM相比，SVPWM能夠減少諧波，改善波形質(zhì)量，提高直流電壓利用率，減少開關(guān)次數(shù)，降低功率管功耗，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，更具有一致性和整體性，是一種優(yōu)化的PWM技術(shù)[7].因此SVPWM技術(shù)不僅在電力電子逆變、整流變換以及交流傳動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且在電力系統(tǒng)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)以及各種利用清潔能源發(fā)電的分布式系統(tǒng)中都有很好的應(yīng)用前景[8].本文對(duì)逆變器采用SVPWM控制.

假設(shè)相電壓為三相平衡正弦電壓，如式(1)所示：

(1)

電壓空間矢量為式(2)：

Vα+JVβ

(2)

三相逆變橋結(jié)構(gòu)如圖2所示.其輸出電壓共有八個(gè)狀態(tài)，SA、SB、SC分別表示A、B、C三相的開關(guān)狀態(tài)，“1”表示上橋臂導(dǎo)通，“0”表示下橋臂導(dǎo)通.當(dāng)A相上橋臂導(dǎo)通，B、C相下橋臂導(dǎo)通，此時(shí)工作狀態(tài)記作(SA,SB,SC)=(1，0，0)，三相電壓(UA,UB,UC)=(Ud，0，0).

由式(1)與式(2)可得此時(shí)電壓空間矢量幅值Us=2/3Ud，空間位置為ej0.以此類推可得到其他空間矢量以及空間位置.其中V0、V7的電壓為零，因此也被稱為零矢量，V1～V6為六個(gè)有效的工作矢量.逆變橋有八個(gè)基本的電壓矢量，由于沒有辦法來形成連續(xù)的電壓空間矢量.所以為了達(dá)到預(yù)期的效果，采用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量來合成期望的輸出矢量.

由基本電壓合成矢量的方式有很多種，常用的是7段式，它是在開關(guān)周期的首尾取零矢量V0以及中間取零矢量V7，將兩個(gè)有效基本矢量V1、V2插在零矢量間.SVPWM輸出電壓矢量7段式組合如表1所示.

表1 SVPWM輸出電壓矢量7段式組合

本文采用軟件編程得出空間矢量脈寬調(diào)制波.采用編程的方法具有方便簡潔、快速實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn).建立的模型如圖4所示，用來對(duì)矢量的合成以及扇區(qū)的選擇.建立模型時(shí)首先要進(jìn)行的解耦，之后經(jīng)過程序進(jìn)行矢量合成以及扇區(qū)選擇，最后進(jìn)行與三角波的比較，輸出脈寬調(diào)制波形.

圖4 SVPWM的模型

3 搭建模型及仿真

本次所仿真的微電網(wǎng)中分布式能源主要是光伏能源，輔助以儲(chǔ)能，構(gòu)成光儲(chǔ)并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng).利用Matlab/Simulink搭建的模型.

3.1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)的模型

圖5是直流微網(wǎng)系統(tǒng)的模型.通過測(cè)量光儲(chǔ)直流源的電流與電壓反饋至MPPT，達(dá)到跟蹤的效果，MPPT控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)升壓斬波電路中的IGBT，達(dá)到升壓的效果，之后采集電網(wǎng)系統(tǒng)的電流，反饋給SVPWM控制器，運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)逆變器的6個(gè)IGBT管，輸出三相電通過濾波后并入電網(wǎng).

圖5 直流微網(wǎng)系統(tǒng)的模型

3.2 直流微網(wǎng)逆變器的仿真結(jié)果

直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的工作波形為：圖6所示 MPPT跟蹤波形圖，圖7 所示逆變電路輸出電壓，圖8 所示并網(wǎng)電壓與電流.

圖6 MPPT跟蹤波形圖

圖6為對(duì)MPPT的跟蹤效果的仿真，三點(diǎn)比較跟蹤法通過雙向擾動(dòng)確認(rèn)的方法來保證其可靠性，具有雙向滯環(huán)特性的雙向擾動(dòng)，避免了誤判的發(fā)生，同時(shí)也能抑制最大功率附近的振蕩.由圖6可以看出，波動(dòng)范圍在4.1%左右，說明采用三點(diǎn)比較跟蹤法可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤效果.

圖7 逆變電路輸出電壓

圖7是經(jīng)過BOOST電路升壓后逆變器輸出的電壓波形，可以看出，輸出的電壓達(dá)到較理想的效果；圖8是經(jīng)過濾波后并網(wǎng)的電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電流的波形，能夠達(dá)到電壓與電流同頻同相，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng).

圖8 并網(wǎng)電壓與電流

3.3 SPWM控制與SVPWM控制比較

為證明本文SVPWM控制效果，在相同的條件下對(duì)傳統(tǒng)的SPWM控制進(jìn)行仿真與上節(jié)SVPWM控制效果進(jìn)行對(duì)比.將圖5仿真模型中逆變器的開關(guān)管給定脈沖方式變?yōu)镾PWM方法，即可得到圖9所示的輸出效果.

圖9 采用SPWM方法并網(wǎng)電壓電流

由圖8和9對(duì)比可以看出，圖8采用SVPWM方法并網(wǎng)后的電壓與電流能夠達(dá)到同頻同相，圖9傳統(tǒng)SPWM方法并網(wǎng)電流與電壓有一定的相位差，不能達(dá)到同頻同相的效果，說明本文SVPWM控制較傳統(tǒng)SPWM控制在并網(wǎng)輸出效果上有一定的優(yōu)勢(shì).

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真的基礎(chǔ)上，依據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了三相微網(wǎng)逆變器測(cè)試平臺(tái)，如圖10所示.在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行了相關(guān)性能的測(cè)試.圖11是SVPWM的測(cè)試波形，可以實(shí)現(xiàn)輸出脈寬對(duì)IGBT的控制；圖12是逆變器輸出的電壓波形，測(cè)試的結(jié)果表明，采用本文的控制方法，逆變器能夠輸出理想的電壓波形；圖13是經(jīng)過濾波后其中一相的正弦電壓波形；圖14是微電網(wǎng)并網(wǎng)的電壓波形，輸出結(jié)果顯示，三相電壓波形能夠達(dá)到并網(wǎng)的效果.

圖10 三相微網(wǎng)逆變器實(shí)物

圖11 SVPWM示波器波形

圖12 電壓波形

圖13 濾波后其中一相的正弦電壓波形

圖14 微電網(wǎng)并網(wǎng)電壓波形

4 總結(jié)

本文結(jié)合微電網(wǎng)中分布式能源并網(wǎng)的要求，設(shè)計(jì)了基于三點(diǎn)比較跟蹤法結(jié)合SVPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三相微網(wǎng)逆變器，并利用MATLAB建立了相關(guān)模型進(jìn)行仿真并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來驗(yàn)證本文所提出控制方法.結(jié)果證明，上述方法可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)逆變器輸出的相電壓為理想三電平階梯波，經(jīng)濾波后電壓和電流均為規(guī)則正弦波，且能實(shí)現(xiàn)同頻同相，較好地實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)并網(wǎng)功能.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

ResearchofopticalstorageDCmicro-gridinverter

CHEN Jing-wen, ZHANG Rong， ZHANG Dong， ZHOU Xin, MENG Yan-jing

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

With the application of micro grid is more and more widely,the inverter as the main equipment has bec-ome the core focus in the grid research.Aiming at the characteristics of the micro grid designs a three-phase inv-erter based on the three-point comparative tracking method and SVPWM technology.The paper analyzes the wor-king principle and structure of the inverter and major designs micro-grid inverter MPPT algorithm and SVPWM.B-ased on above,paper builds micro-inverter model,and establishes simulation model and experimental platform to validate the effectiveness of the MPPT and SVPWM method .The results show that the control method can better achieve transmission effect of micro grid power.

micro grid; MPPT; SVPWM; inverter

2017-08-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577110)； 陜西省科技廳工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GY074)； 西安市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017068CG/RC031(SXKD001))

陳景文(1978-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：微電網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

2096-398X(2017)06-0159-05

TM46

A