淺析光伏并網(wǎng)逆變器最大功率傳輸控制

羅靜 四川工商學(xué)院

1 光伏并網(wǎng)逆變器和EL功率模型

光伏并網(wǎng)多采用兩電平、多電平實(shí)現(xiàn)逆變，本論文結(jié)合三相兩電平電壓PWM逆變進(jìn)行分析和研究。該逆變主電路的設(shè)計(jì)沒有充分考慮到三相交流電網(wǎng)產(chǎn)生的內(nèi)阻，將輸出濾波器阻值L和逆變內(nèi)阻進(jìn)行等效，確定阻值為R。直流母線電壓電流分別Udc、Ipv，直流輸入側(cè)電容電流數(shù)值為Ic，把光伏發(fā)電陣列輸入到逆變器的電流確定為Idc，開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)定義為Sa～Sc，將把單極邏輯數(shù)學(xué)函數(shù)確定為Sj，如果該函數(shù)值為1，逆變回路中的上橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，而下橋臂完全關(guān)斷，而當(dāng)該函數(shù)值為0，逆變控制回路上橋臂為關(guān)斷，下橋臂實(shí)現(xiàn)回路的導(dǎo)通。Ua～Uc定義為逆變器輸出側(cè)的交流電壓值，ia～ic為對應(yīng)的相電流，配電網(wǎng)交流相電壓定義為Uea～Uec。那么，光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型為：，公式中的Sd、Sq是開關(guān)函數(shù)中在坐標(biāo)系軸上的分量。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系條件下，如果三相電網(wǎng)為平衡狀態(tài)，Ued為配電網(wǎng)相電壓，Ueq為零值，那么逆變器輸入到配電網(wǎng)的有功和無功功率公式為：，Um為相電壓幅值。假設(shè)x=(x1、x2、x3)T,x1=p,x2=q、x3=udc，則可以推導(dǎo)出EL功率數(shù)學(xué)模型：，模型中的Mp是正定對角矩陣，Jp為反對稱數(shù)學(xué)矩陣，而，可以準(zhǔn)確地體現(xiàn)出控制系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，Rp則可以更好的體現(xiàn)出系統(tǒng)耗散特點(diǎn)，up則很好地反映出輸入控制。

2 最大功率傳輸無源功率控制器

2.1 期望平衡點(diǎn)

根據(jù)光伏并網(wǎng)逆變可以達(dá)到的最大傳輸功率、配電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)和交流電諧波的要求，Pm值不斷趨向于光伏并網(wǎng)逆變理想的輸出功率值，而q值不斷趨向于零，Udc與光伏發(fā)電陣列最大功率電壓Umax相近，則配電網(wǎng)相電壓需要達(dá)到。理想的穩(wěn)定平衡點(diǎn)為X1=Pm，X2=0，X3=Umax。Pm數(shù)值的確定可以根據(jù)穩(wěn)條件下期望功率平衡方程：，公式中的Pmax是光伏發(fā)電陣列中最大功率點(diǎn)對應(yīng)的功率值。

2.2 無源功率控制器設(shè)計(jì)

因?yàn)椴⑷肱潆娋W(wǎng)的光伏逆變器可以建立起EL功率數(shù)學(xué)模型，所以，并入配電網(wǎng)的逆變器是無源性的，可以實(shí)現(xiàn)對無源功率控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。假定xe=x-x*，那以EL功率數(shù)學(xué)模型則轉(zhuǎn)變?yōu)?，進(jìn)一步確定誤差能量函數(shù)為：，就可以確定出無源功率控制公式為，那么無源功率控制函數(shù)可以確定為。從推導(dǎo)公式中不難發(fā)現(xiàn)，We(x)不斷收斂至零速度與Rp有著直接關(guān)系，所以收斂速度會(huì)不斷減小。由于We(x)收斂至零時(shí)，應(yīng)該注入阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)，阻尼公式為Rdxe=Rpxe+Raxe，可以將光伏發(fā)電逆變器EL功率模型轉(zhuǎn)變?yōu)?，那么在We(x)收斂至最小值時(shí)，如果選取的Ra遠(yuǎn)大于R，那么We(x)收斂到零是由Ra決定的，也就是提升了光伏逆變器的對R改變的魯棒性。需要確定最為合理的Ra可以保證We(x)迅速地收斂到0，則可以很好證明無源功率控制器可以完成設(shè)定的控制目標(biāo)。再對上述兩個(gè)方式進(jìn)行推導(dǎo)，光伏逆變器則以很快的速度對Pm*進(jìn)行追蹤，也就可達(dá)到最大功率實(shí)現(xiàn)上傳的控制目標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定好適當(dāng)?shù)墓庹諒?qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下，光伏發(fā)電陣列的最大功率點(diǎn)電壓值為Umax=352V,Imax=19.5A,光照強(qiáng)度每間隔0.1秒出現(xiàn)400W/m2的方波跳變，運(yùn)行溫度以正弦波發(fā)生改變，溫度運(yùn)行區(qū)間為10-40℃。配電網(wǎng)相電壓峰值達(dá)到160V,電抗值設(shè)置為15mH，電抗器及逆變器內(nèi)阻值采用0.2Ω，直流母線側(cè)電容值2200μF。根據(jù)上述參數(shù)組建仿真模型，發(fā)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)條件下輸出側(cè)可以達(dá)到功率因數(shù)和電流波形正弦度的需要表明逆變器輸出電流和有功功率可以實(shí)現(xiàn)很好的追蹤功能。