探討新型多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的控制策略

劉運(yùn)奎

摘要：本文結(jié)合多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中各輸入端的光伏陣列光照強(qiáng)度差異所導(dǎo)致的功率不平衡問題，設(shè)計(jì)一種針對多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)變換器調(diào)制量進(jìn)行補(bǔ)償控制的策略，以對系統(tǒng)運(yùn)行中各直流端的電壓平衡進(jìn)行控制，并對該運(yùn)行控制策略通過模型構(gòu)建進(jìn)行驗(yàn)證分析。

關(guān)鍵詞：新型 多端輸入 光伏并網(wǎng) 系統(tǒng)運(yùn)行 控制策略

太陽能資源是一種具有較大開發(fā)與利用價(jià)值的可再生能源，對太陽能資源的持續(xù)開發(fā)與利用實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行具有友好型、靈活型以及安全型特征優(yōu)勢的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)與研究的價(jià)值意義更加顯著。根據(jù)當(dāng)前對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)與研究應(yīng)用現(xiàn)狀，主要以集中式、集散型與組串式三種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式為主，其中，對基于級聯(lián)多電平變換器的多端輸入集散式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)近年來關(guān)注更多。這種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用中，能夠通過對直流側(cè)各輸入端口的DC/DC變換器設(shè)計(jì)運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行中各光伏陣列單元的MMPT控制，從而促進(jìn)太陽能資源的利用效率提升。值得注意的是，這種多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用中也存在著各光伏陣列光照強(qiáng)度不一致的情況下，會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的功率不平衡問題發(fā)生，是其系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)研究關(guān)注的重點(diǎn)。下文將對多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略進(jìn)行研究，以供參考。

1、多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及功能特征分析

如下圖1所示，即為基于DAB（雙主動全橋）變換器的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)該圖可以看出，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括多光伏陣列以及DAB變換器、多級聯(lián)多電平DC/AC變換器等。其中，系統(tǒng)運(yùn)行中，通過將DAB變換器低壓直流端和光伏陣列進(jìn)行連接，同時(shí)其高壓直流端和級聯(lián)多電平DC/AC變換器進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)多端輸入的光伏并網(wǎng)運(yùn)行支持。此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過多端輸入實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的集中式光伏陣列的分布式連接以及對各光伏陣列模塊運(yùn)行實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，其控制模式為MPPT控制，以促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行中對太陽能資源的利用效率提升，從而滿足多端輸入光伏并網(wǎng)運(yùn)行的需求。

根據(jù)上圖1所示的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)情況，其中，DAB轉(zhuǎn)換器作為該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單元，一般是由全橋變換器以及直流電容、輔助電感、高頻變壓器等組成，如下圖2所示，即為多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中DAB變換器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。其中，C1和C2即為DAB變換器的直流電容，分別為該變換器低壓與高壓端的直流電壓;而L1為輔助電感，T為高頻變壓器，、為二極管，、為開關(guān)管。多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的DAB變換器工作運(yùn)行中是采用移相控制策略，其工作運(yùn)行中兩側(cè)全橋開關(guān)頻率設(shè)置為相同頻次，而對角開關(guān)管為交替導(dǎo)通狀態(tài)，其導(dǎo)通角度為180?，同時(shí)兩側(cè)全橋逆變輸出電壓為占空比50%的方波電壓，因此，該變換器工作運(yùn)行中通過方波相角的控制就能夠?qū)﹄姼袃啥穗妷阂约跋辔贿M(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)變換器工作運(yùn)行的功率大小及流向控制，對其工作運(yùn)行進(jìn)行支持。

上圖1所示的多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，DAB變換器主要用于光伏陣列MPPT控制，其控制運(yùn)算的主要方法為電導(dǎo)增量法，即在變壓器變比以及開關(guān)頻率、高壓端直流電壓、電感等參數(shù)確定情況下，通過對移相比取值進(jìn)行改變能夠?qū)崿F(xiàn)不同的低壓端直流電壓值計(jì)算求取，從而可獲取光伏陣列的輸出電壓，并且在情況下即能滿足對光伏陣列的MPPT控制?？傊鶕?jù)上述分析可以看出，DAB變換器在多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中的具體控制策略為：通過DAB變換器對光伏陣列的MPPT控制方式，在經(jīng)過MPPT控制后產(chǎn)生相應(yīng)的電壓參考值，同時(shí)將電壓誤差通過PI控制器進(jìn)行放大并獲取有關(guān)移相角，在脈寬調(diào)制作用下形成驅(qū)動脈沖輸送到兩側(cè)的全橋變換器中，對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行支持。

此外，該多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，多級聯(lián)多電平DC/AC變換器是以單相DC/AC變換器作為基本單元構(gòu)成的，通過多個(gè)完全相同的DC/AC變換器的交流輸出端進(jìn)行串聯(lián)后經(jīng)電感接入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，同時(shí)在直流端與DAB變換器的高壓直流端進(jìn)行獨(dú)立連接。多級聯(lián)多電平DC/AC變換器控制一般有空間矢量PWM控制和優(yōu)化PWM控制、載波移相正弦脈寬調(diào)制控制等不同方法，本文為便于研究開展以載波移相正弦脈寬調(diào)制控制為例，通過相鄰的DC/AC變換器子單元載波移相角的相差以及相電壓輸出波形變化進(jìn)行控制。其中，對級聯(lián)多電平DC/AC變換器可以與兩個(gè)正頻正弦交流電源相等效在電感兩端進(jìn)行連接應(yīng)用，并通過對該電源之間的相位及幅值變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)其傳輸功率調(diào)節(jié)。如下圖3所示，即為級聯(lián)多電平DC/AC變換器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

2、多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

根據(jù)上述對多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各結(jié)構(gòu)單元工作運(yùn)行特點(diǎn)的分析，結(jié)合該系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用情況，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的各直流端電壓平衡控制，本文研究中通過將三相多端光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與三相逆變器相等效，在此基礎(chǔ)上根據(jù)三相并網(wǎng)電流及電壓、各相級聯(lián)多電平變換器的輸出電壓、系統(tǒng)各DAB變換器高壓端直流電壓平均值等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定后，通過構(gòu)建系統(tǒng)微分方程，并進(jìn)行dq解耦獲取對應(yīng)方程式后，如下（1）所示。

以上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中每相設(shè)置有3個(gè)DC/AC變換器，那么即可獲取級聯(lián)多電平DC/AC變換器的dq解耦控制策略。具體控制過程為：在直流電壓誤差經(jīng)PI控制器進(jìn)行放大形成d軸參考電流，同時(shí)q軸參考電流為0，那么dq軸的電流誤差信號在通過PI控制器放大并解耦形成相應(yīng)的調(diào)制量，通過載波移相對各DC/AC變換器調(diào)制量進(jìn)行獲取，將各調(diào)制量與三角載波進(jìn)行對比，即可得到開關(guān)管的驅(qū)動脈沖，同時(shí)針對系統(tǒng)運(yùn)行中的每相直流電壓平衡問題，通過級聯(lián)多電平百年換器調(diào)制量補(bǔ)償控制，通過對各DC/AC變換器調(diào)制比進(jìn)行改變來實(shí)現(xiàn)直流電壓平衡保證。如下圖4所示，即為多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的控制策略。

3、實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，為對其實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)用的可行性及有效性進(jìn)行驗(yàn)證，通過構(gòu)建以PSCAD/EMTDC系統(tǒng)為支持的仿真模型，將各單元光伏陣列額定輸出功率設(shè)定為500kw，交流電壓有效值設(shè)置為10kv，DAB變換器高壓端直流電壓設(shè)定為3kv、開關(guān)頻率設(shè)置為10kHz、輔助電感設(shè)置為5.76μH、單元直流電容設(shè)置為5000μF，同時(shí)設(shè)定每相DAB變換器數(shù)量為3、級聯(lián)單元DC/AC變換器數(shù)量也為3，高頻變壓器變比為1：5。在此基礎(chǔ)上開展仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示通過級聯(lián)多電平變換器調(diào)制量補(bǔ)償控制能夠?qū)崿F(xiàn)各直流端電壓平衡，具有較好的運(yùn)行控制效果，如下圖5所示。

4、結(jié)束語

總之，對多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略研究，有利于促進(jìn)多端輸入光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及運(yùn)行控制的開發(fā)應(yīng)用，促進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)與電力事業(yè)發(fā)展，具有十分積極的作用和意義。

參考文獻(xiàn)

[1]高玉華.面向光伏配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的安全性監(jiān)測評估[J].信息技術(shù)，2019（03）：59-64.

[2]馬靜，劉青，吳佳芳，等.高比例變流型電源并網(wǎng)的輸電系統(tǒng)三相短路電流計(jì)算[J].電力系統(tǒng)自動化，2019，43（05）：83-91+113.