兩級(jí)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

龐松嶺，朱望誠(chéng)，方連航，錢(qián) 欣，蔡昌春

(1．海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，海南 ?？?570125;2．海南省電網(wǎng)理化分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 ?？?570125;3．河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益加重，可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用逐漸得到重視。其中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其高效、清潔等特點(diǎn)備受關(guān)注。光伏發(fā)電是目前發(fā)展前景較好的可再生能源技術(shù)之一。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。其中，并網(wǎng)運(yùn)行是當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行需要可靠、穩(wěn)定的控制技術(shù)，包括系統(tǒng)的最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變器控制等。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，光伏發(fā)電系統(tǒng)分為單級(jí)式和兩級(jí)式。兩級(jí)式由于其實(shí)現(xiàn)前級(jí)Boost電路和逆變并網(wǎng)電路的分開(kāi)，能達(dá)到最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制的解耦控制，在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

最大功率跟蹤和并網(wǎng)控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的核心。文獻(xiàn)[1]從光伏電池的數(shù)學(xué)建模出發(fā)，分析了局部遮擋情況下的輸出功率特性曲線(xiàn)以及并網(wǎng)特性。文獻(xiàn)[2]對(duì)傳統(tǒng)最大功率追蹤方法(恒定電壓法、擾動(dòng)觀(guān)察法、電導(dǎo)增量法)進(jìn)行了對(duì)比研究，通過(guò)分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了混合方法進(jìn)行最大功率控制的可行性。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于模糊邏輯與擾動(dòng)觀(guān)察法相結(jié)合的方法，有效地提高了最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)速度和精度。文獻(xiàn)[4]提出了一個(gè)新的判斷光伏電池最大功率點(diǎn)方法，并通過(guò)結(jié)合擾動(dòng)觀(guān)察法和固定電壓法實(shí)現(xiàn)其最大功率控制。文獻(xiàn)[5]采用無(wú)差拍電流控制方法，通過(guò)提高光伏系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，進(jìn)而改善輸出電流質(zhì)量，并從原理上提升了控制器對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不確定性的靈敏度，在保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的同時(shí)，通過(guò)補(bǔ)償濾波器抑制電流中的諧波。文獻(xiàn)[6]提出了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤與電流控制的電壓源型逆變器相結(jié)合的單級(jí)三相光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出了一種典型光伏并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制模型參數(shù)的解耦辨識(shí)策略，提高了光伏并網(wǎng)逆變器的控制精度。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[9]結(jié)合諧波注入和多電平技術(shù)，提出了單級(jí)式電流源型光伏并網(wǎng)換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其非線(xiàn)性控制策略。文獻(xiàn)[10]采用并網(wǎng)電流和電容電流雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行并網(wǎng)電流控制，抑制了光伏并網(wǎng)的系統(tǒng)振蕩問(wèn)題。文獻(xiàn)[11]采用電流瞬時(shí)值和電流有效值雙閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)輸出電流波形控制。文獻(xiàn)[12]提出了一種帶有比例系數(shù)的正序網(wǎng)壓前饋控制方法，引入正序網(wǎng)壓前饋環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了降低網(wǎng)壓畸變的目的。

本文首先在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了光伏電池的工程應(yīng)用模型，在前級(jí)Boost電路中采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤和升壓的功能，后級(jí)三相全橋逆變電路采用電壓電流的雙閉環(huán)控制方式對(duì)并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。仿真結(jié)果表明，本文提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤，且有效抑制系統(tǒng)并網(wǎng)諧波，保持與電網(wǎng)的同頻同相要求。

1 兩級(jí)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)主要由光伏面板、Boost升壓電路、脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)逆變電路、電感-電容-電感(LCL)濾波電路、MPPT最大功率跟蹤控制和并網(wǎng)控制等組成。光伏面板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)斬波DC/DC升壓電路以及MPPT控制，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的直流升壓和最大功率跟蹤；直流電經(jīng)升壓電路升壓后，經(jīng)Cdc與PWM逆變電路相連，并通過(guò)LCL濾波電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的并網(wǎng)。兩級(jí)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 兩級(jí)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能基本單元。光伏電池端口電壓和端口電流的伏安特性可表示為：

(1)

式中：U、I分別為光伏面板端口電壓、電流，該電壓、電流由光生電流源Iph決定，且光生電流源與光伏電池的面積和光照強(qiáng)度成正相關(guān)；Rs、Rsh分別為光伏電池等效串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻；I0為并聯(lián)電流；q為電子荷；K為波爾茲曼常數(shù)；A為曲線(xiàn)常數(shù)；T為光伏電池工作絕對(duì)溫度。

2 光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤

光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤是實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)最大能量輸出的保證，能有效提高光伏系統(tǒng)的利用效率。通過(guò)控制Boost DC/DC升壓電路的輸出電壓，可保證光伏系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)或者附近，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤。理論上，在最大功率點(diǎn)處，電壓和功率存在如下關(guān)系：

(2)

式中：P為光伏面板輸出功率。

(3)

最大功率跟蹤控制流程如圖2所示。

圖2 最大功率跟蹤控制流程圖

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法采用恒定占空比啟動(dòng)，根據(jù)功率占空比微分極點(diǎn)自動(dòng)劃分跟蹤區(qū)域，將工作狀態(tài)劃分為遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域和逼近最大功率點(diǎn)區(qū)域。前者采用固定大步長(zhǎng)進(jìn)行快速跟蹤，后者采用變步長(zhǎng)進(jìn)行高精度跟蹤?；谧儾介L(zhǎng)的電導(dǎo)增量法，使用Boost電路來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，其實(shí)際控制量為占空比D。變步長(zhǎng)可表示為：

(4)

式中：Dk為當(dāng)前時(shí)刻占空比；Dk-1為上一時(shí)刻占空比；λ為步長(zhǎng)。

3 光伏并網(wǎng)雙閉環(huán)控制

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)采用LCL濾波器。該濾波器可以有效降低網(wǎng)測(cè)電流的諧波畸變率，并滿(mǎn)足系統(tǒng)并網(wǎng)造成的諧波衰減的要求。由于LCL電路容易發(fā)生諧振且在諧振頻率處形成諧振尖峰，由此引入諧波，通過(guò)增加阻尼，可以提高系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性和LCL電路的諧波抑制能力。額外電阻的接入帶來(lái)系統(tǒng)額外的有功功率損耗。因此，本文通過(guò)增加虛擬阻抗的思路進(jìn)行LCL電路諧波的抑制，利用虛擬阻抗技術(shù)，抵消原系統(tǒng)波特圖的正諧振峰。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用的電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖

該電路包括電壓電流的雙閉環(huán)控制、功率前饋控制。外環(huán)電壓控制利用參考電壓和直流側(cè)電壓的誤差，通過(guò)比例積分(proportiond integral,PI)控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流測(cè)母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。使得光伏系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定；內(nèi)環(huán)電流控制利用參考電流和實(shí)測(cè)電流的誤差，通過(guò)PI控制環(huán)節(jié)為逆變器提供合適的電壓，從而控制逆變器輸出電壓穩(wěn)定。

圖3中：外環(huán)電壓控制直流側(cè)采樣電壓uDC與給定的參考電壓uDCref比較后，經(jīng)比例積分控制調(diào)節(jié)后得到電流的參考值iref；同時(shí)將得到的電流參考值與電網(wǎng)同步信號(hào)相乘得到d軸電壓參考分量idref。為了保證系統(tǒng)輸出功率因素為1，將系統(tǒng)q軸參考電流設(shè)置為0。系統(tǒng)采用增量PI控制器進(jìn)行直流電壓的調(diào)節(jié)和運(yùn)算，以提高運(yùn)算速度。

(5)

式中：kP為PI控制器的比例系數(shù)；Ti為比PI控制器的積分時(shí)間常數(shù)。

LCL并聯(lián)電阻控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LCL并聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)框圖

圖4中：Rc為電容并聯(lián)電阻；KPWM為逆變器等效比例系數(shù)；Ts為慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。此時(shí)，通過(guò)增加LCL并聯(lián)電阻來(lái)達(dá)到增加阻尼的作用。引入并聯(lián)電阻后，帶阻尼LCL濾波電路的傳遞函數(shù)可表示為：

(6)

虛擬阻抗的思路是:通過(guò)選擇不同的反饋控制變量，在算法中添加阻尼項(xiàng)，達(dá)到阻尼的控制效果。將并聯(lián)電容電壓和電流作為反饋?zhàn)兞恳?，利用控制變量變換將并聯(lián)電阻，在控制框圖中以虛擬電阻的形式存在。

Gc(s)為電流控制器，利用準(zhǔn)PR控制器提高基波增益來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓、電流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。

(7)

式中：ωr為諧振角頻率；ωc為諧振帶寬角頻率。

準(zhǔn)比例潛振(proportional resonant,PR)控制器對(duì)一定帶寬諧振頻率范圍內(nèi)的波動(dòng)正弦量進(jìn)行幅值積分，在諧振頻率之外等同于比例環(huán)節(jié)。通過(guò)內(nèi)環(huán)電流、外環(huán)電壓控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制在精度和穩(wěn)定上的協(xié)調(diào)。本文不考慮逆變器的動(dòng)態(tài)特性，將逆變器等效為比例系數(shù)為KPWM的比例環(huán)節(jié)，同時(shí)通過(guò)設(shè)置內(nèi)環(huán)電流控制，使得系統(tǒng)輸出功率因素恒為1。

4 仿真分析

利用Matlab/Simulink平臺(tái)搭建光伏并網(wǎng)及控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真分析。其中，光伏面板參數(shù)為：Isc=5.29，Voc=44.2 V，Im=4.95 A，Vm=35.4 V，串8并4，S=1 000 W/m2，T=25 ℃?？刂葡到y(tǒng)參數(shù)為：uDC=400 V，直流側(cè)電壓控制環(huán)PI控制器參數(shù)為kP=0.5,ki=100。并網(wǎng)濾波器參數(shù)為：Cdc=3 000 μF，Linv=5 mH，Cf=15 μF，L2=2 mH，ω0=314 rad/s。

根據(jù)以上分析，構(gòu)建光伏系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型及系統(tǒng)框圖。標(biāo)準(zhǔn)條件下，T=25 ℃，S=1 000 W/m2。

為了驗(yàn)證本文提出最大功率跟蹤方法及并網(wǎng)控制策略的合理性，在初始溫度為25 ℃、光照在0.2 s時(shí)，由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2可得到最大功率跟蹤曲線(xiàn)。光伏輸出功率如圖5所示。

系統(tǒng)能夠很好的跟蹤最大功率點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度突然改變時(shí)，該算法不到0.01 s就完成了最大功率追蹤，且追蹤過(guò)程穩(wěn)定平滑，到達(dá)最大功率點(diǎn)后振蕩損低。從圖5可以看出，并網(wǎng)側(cè)輸出電壓電流穩(wěn)定速度快，光照強(qiáng)度改變時(shí)并網(wǎng)電壓波形不變，并網(wǎng)電流迅速完成調(diào)節(jié)，具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，符合并網(wǎng)要求。

圖5 光伏輸出功率曲線(xiàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)電壓電流的穩(wěn)定性，通過(guò)配網(wǎng)故障來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際情況下的運(yùn)行動(dòng)態(tài)。0.3 s配電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單向接地故障，造成光伏系統(tǒng)的電壓和電流波動(dòng)，在控制系統(tǒng)的作用下，光伏系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定功率輸出。三相電壓輸出波形如圖6所示。

圖6 三相電壓輸出波形

圖7給出了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波含量。從圖7中可以看出，系統(tǒng)的諧波滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，控制系統(tǒng)鎖相環(huán)能夠及時(shí)跟蹤電網(wǎng)頻率，實(shí)現(xiàn)光伏的準(zhǔn)確并網(wǎng)。

圖7 光伏并網(wǎng)諧波含量

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有兩級(jí)三相光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，提出了一種基于變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和基于電壓電流雙閉環(huán)控制的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略。通過(guò)變步電導(dǎo)增量法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)升壓電路系統(tǒng)占空比，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤；利用帶虛擬電阻的LCL濾波電路，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定性和諧波抑制能力。通過(guò)光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，分析所建模型的各環(huán)節(jié)運(yùn)行特性。仿真結(jié)果表明，在環(huán)境因素變化情況下，利用最大功率跟蹤和并網(wǎng)控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，獲得滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了本文提出光伏并網(wǎng)控制策略的合理性和準(zhǔn)確性。