光伏發(fā)電控制策略研究

宋梓豪

【摘要】? ? 隨著環(huán)境的污染與常規(guī)能源的短缺，各國相繼把目光投向可再生能源，而太陽能憑借其無污染、儲量足、便于開發(fā)的特點逐漸成為研究的重點。本文以單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，對光伏電池的光伏特性、Boost升壓技術(shù)、最大功率點跟蹤（Maximum power point tracking，MPPT）技術(shù)、逆變器控制技術(shù)展開了深入的研究。

【關(guān)鍵詞】? ? 光伏并網(wǎng)發(fā)電? ? 光伏特性? ? MPPT? ? 逆變

引言：

隨著現(xiàn)如今全球經(jīng)濟的不斷增長，中國的經(jīng)濟增長模式逐漸趨于多樣化，在這個倡導(dǎo)“綠水青山就是金山銀山”的時期，可持續(xù)發(fā)展成為了當今中國經(jīng)濟發(fā)展的主旋律，以光伏發(fā)電為代表的新能源利用方式正成為各國能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的突破點，在各類光伏發(fā)電中光伏并網(wǎng)發(fā)電由于其獨特的優(yōu)越性成為研究的重點。本文全面而系統(tǒng)地研究了光伏電池的輸出特性、Boost升壓電路、MPPT控制、逆變器控制技術(shù)。

一、光伏電池模型與仿真分析

對光伏電池的單指數(shù)模型進行相關(guān)假設(shè)和定義，可以得出簡單的光伏電池的工程應(yīng)用模型如式（1）：

考慮到實際情況中溫度、光照變化的影響，對上述的簡化工程實用模型進行修正。引入修正量ΔT、ΔS，將式（1）做以下修正：

其中公式推導(dǎo)中a、b、c為環(huán)境補償系數(shù)，為各等式中的環(huán)境補償系數(shù)，仿真過程中通過調(diào)整環(huán)境補償系數(shù)a、b、c來減小模型的誤差。根據(jù)修正后的光伏組件工程實用模型，在不同環(huán)境條件下對光伏組件的輸出特性進行仿真分析：1.控制溫度不變?yōu)?6℃，光照強度分別取為1000W/m2、800W/m2、600W/m2和400W/m2，然后觀察P-U曲線與I-U曲線。2.控制光照強度保持1000W/m2不變，溫度分別取26℃、36℃、46℃、56℃，觀察其P-U曲線與I-U曲線。由具體實驗結(jié)果顯示，光伏組件受光照因素的影響較大，光照強度越大，輸出功率也越大，且輸出功率的變化幅度比其受溫度影響大，并且隨著溫度的升高，光伏組件的輸出功率反而略微下降。

利用實驗室資源，測試STP150S-24c/AC太陽能電池板在不同遮陰情況下的輸出特性，分析其在無遮擋與兩遮擋情況下的曲線擬合圖，可以看出，局部陰影情況下，光伏組件的輸出功率明顯降低，與仿真效果類似，證明所選模型的準確性。

二、基于Boost電路的MPPT控制研究

首先，對Boost電路進行參數(shù)設(shè)計。主要包括電感L、輸入端電容C1以及濾波電容的設(shè)計。電感L的參數(shù)設(shè)計主要在于臨界連續(xù)電流的求取，并依此求出臨界狀態(tài)的電感值;在Boost電路穩(wěn)定工作于電流連續(xù)狀態(tài)時，可以求出電感紋波電流的峰值，利用輸入端電容C1與電感相互傳遞能量進而可以求出C1;濾波電容的設(shè)計相對簡單，選取足夠大的電容即可保證較小的輸出電壓紋波以穩(wěn)定電壓輸出。選取輸入電壓Ud=200V，要求提升輸出電壓至Uo=360V，同時負載電阻R=7Ω。取脈沖發(fā)生器的開關(guān)周期為T=0.01ms。經(jīng)過計算結(jié)合實際電路選取電感值L=1mH，輸出濾波電容C2=400μF[3]。在MATLAB中搭建模型如圖1所示，仿真圖如2所示。

由圖2可以看出所搭建的電路經(jīng)過Boost電路升壓后符合最后電壓達到360V的要求。

三、光伏并網(wǎng)逆變器控制策略的方法研究

光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池板吸收的光能通過光電效應(yīng)初步轉(zhuǎn)化為電能，再通過各種電力電子元器件經(jīng)過整流、升降壓等轉(zhuǎn)換為諧波小且穩(wěn)定的正弦交流電，最終并入電網(wǎng)的一套發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器需需滿足以下控制目標：并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，與此同時，還要求整個系統(tǒng)最大限度地將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，即時刻工作在最大功率點處。常用的為電壓源電流控制的方式。下面將對逆變器的參數(shù)設(shè)計、控制方式作簡要介紹。

首先，逆變器的參數(shù)設(shè)計主要包括濾波電感與直流母線電容的設(shè)計。濾波電感的設(shè)計要考慮到體積成本、控制要求以及最值的限制，在電感電壓最大且電感紋波最大時L取得最小值，在逆變電路最大輸出時L取得最大值;直流母線電容的設(shè)計取決于電容兩端電壓的紋波。本文濾波電感取500μH，直流母線電容取4.7mF，然后選取數(shù)字PID控制與無差拍控制對逆變器進行相關(guān)控制研究。具體研究成果如下：

3.1數(shù)字PID控制模型搭建

與一般PID控制不同，數(shù)字PID控制是利用DSP及一些數(shù)字芯片實現(xiàn)對系統(tǒng)進行控制的一種方式，其實質(zhì)也是通過正弦脈沖波寬度調(diào)制比較控制的一種，但與傳統(tǒng)模擬PID控制方式相比，數(shù)字PID控制方式不論在響應(yīng)速度上還是在跟蹤精度上都遠優(yōu)于普通PID控制方式。

圖3為在Matlab軟件中搭建的數(shù)字PID模型，仿真過程中，DSP及一些數(shù)字芯片一般采用離散化采樣方式對數(shù)據(jù)進行處理，各仿真模塊參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器采用PI，Kp設(shè)置為75，Ki設(shè)置為15。仿真系統(tǒng)模型中將離散系統(tǒng)的采樣周期Ts設(shè)定為5e-6s，直流側(cè)模塊電壓為設(shè)為400V，電網(wǎng)電壓為220V/50Hz的標準正弦波，電容C設(shè)計為312.6uF，電感L設(shè)計為7.8734mH，電阻R設(shè)計為5Ω。圖4為數(shù)字PID中的PWM控制模塊封裝。與傳統(tǒng)數(shù)字PID不同，本文在系統(tǒng)仿真過程中在PID調(diào)節(jié)輸出后進行了局部的改進，如圖3中的黑色模塊V2所示，通過引入電網(wǎng)電壓和直流電壓的反饋對系統(tǒng)誤差進行修正，反饋的修正信號再次通過PWM發(fā)生器進而產(chǎn)生所需的控制脈沖波，PWM發(fā)生器模塊中的采樣頻率設(shè)定為25kHz。

圖4.3為電網(wǎng)電壓與逆變輸出的并網(wǎng)電流波形，圖4.4為逆變輸出的并網(wǎng)電流與參考電流波形。通過對圖4.3、圖4.4中的輸出波形可以看出，改進后的數(shù)字PID控制方式輸出的并網(wǎng)電流跟蹤特性很好，但并網(wǎng)電流與參考電流卻存在一定的相位差，總體諧波畸變率（THD）為1.09%，誤差率也小于5%，基本滿足并網(wǎng)條件。

3.2無差拍控制模型搭建

圖7為搭建的無差拍控制仿真系統(tǒng)，公式（6）為系統(tǒng)中逆變器輸出端的電壓方程式：

對式子（6）進行離散化得：

無差拍控制模型的搭建首先通過將如下控制電流的數(shù)學表達式（6）進行離散化得到（7），同時對主電路的建模盡量做到精確以滿足更好的控制需要。當電路穩(wěn)態(tài)運行時，流經(jīng)電容所在支路的電流iC非常小，因此直接忽略，同時，因為流經(jīng)電容支路的電流iC的值很?。╥C近似認為為0）并網(wǎng)電流也很小，此時并網(wǎng)電流ig=iL;將給定參考電流iref （k+1）替換掉電感電流iL（k+1），從而獲得采樣周期內(nèi)對應(yīng)的逆變器輸出電壓平均值如下：

為了得到無差拍控制器的數(shù)學模型，對式（8）進行搭建模型，圖8為無差拍控制器封裝模塊。模型中各參數(shù)如下：仿真離散系統(tǒng)的采樣周期設(shè)定為5e-6s，電容C設(shè)計為332.8uF，開關(guān)管頻率設(shè)定為20kHz，濾波電感L設(shè)計為7.4560mH，電容的阻抗電阻R設(shè)計為0.01，電網(wǎng)電壓為標準電壓，幅值為311V，參考電流設(shè)置為40A/50Hz，相位始終超前一個采樣周期。

通過對圖5數(shù)字PID控制電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流輸出波形與圖9無差拍控制并網(wǎng)電流波形及圖6數(shù)字PID控制并網(wǎng)電流與參考電流輸出波形與圖10無差拍控制并網(wǎng)電流輸出波形進行對比，明顯看出無差拍控制方式的輸出電流波形是標準的正弦波，并網(wǎng)電流的頻率和相位幾乎完全和參考電流一致，且諧波總畸變率THD遠遠小于并網(wǎng)要求的5%，僅有1.022%，且無差拍控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，完全符合并網(wǎng)要求。由仿真系統(tǒng)結(jié)果分析得出結(jié)論：對于確定的系統(tǒng)模型，在能夠精確建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，無差拍控制不論在控制速度還是在控制精度上都優(yōu)于數(shù)字PID控制方式。

參? 考? 文? 獻

[1]趙杰. 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D]，天津：天津大學，2012.

[2]陳曉君. 基于Boost電路的MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D]，浙江：浙江工業(yè)大學，2014.

[3]陳雙，陳衛(wèi)民，嚴虹. 直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC變換研究[J]. 水電能源科學，2012 （8）： 184-186.

[4]孫志松. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB仿真研究[D]，南昌：南昌航空大學，2013.

[5]王昉，馬愛平，劉陵順，等. 光伏逆變器控制策略的仿真研究[J]. 船電技術(shù)，2014， 34 （11）： 7-9

[6]陳誠. 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器控制的研究[D]，上海：華東交通大學，2013.

[7]程靜. 光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測方法研究[D]，河南：河南師范大學，2012.

[8]郭建凱. 雙級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究[D]，遼寧：東北大學，2012.