基于光伏逆變最大功率約束下垂控制策略研究*

石佩玉, 彭 程, 賈新立, 路文梅, 郭 放

(河北水利電力學(xué)院 電力工程系,河北 滄州 061001)

0 引 言

隨著當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展以及人們生活水平的不斷提升,對(duì)能源的需求越來(lái)越大,環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重,近些年來(lái)上述問(wèn)題得到了越來(lái)越多的關(guān)注。為解決能源緊缺及環(huán)境污染,風(fēng)能、光能、水能等可再生能源得到迅速發(fā)展[1-2]。文獻(xiàn)[3-5]針對(duì)LCL濾波的三相并網(wǎng)型逆變器系統(tǒng),考慮電壓畸變?cè)黾泳W(wǎng)側(cè)電流總諧波問(wèn)題,提出了電流雙環(huán)控制策略,外環(huán)采用PI控制器,內(nèi)環(huán)采用PR控制器。文獻(xiàn)[6-8]根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)提出一種導(dǎo)納重構(gòu)策略,將并網(wǎng)點(diǎn)電壓經(jīng)適當(dāng)環(huán)節(jié)反饋至電流控制器的輸出端,通過(guò)提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)阻抗變化的適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波諧振的抑制。文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法跟蹤光伏逆變系統(tǒng)速度慢、功率波動(dòng)大的問(wèn)題,提出了基于模糊控制的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制策略。文獻(xiàn)[11-12]針對(duì)傳統(tǒng)下垂控制特性進(jìn)行分析,引入動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)、靈敏度系數(shù),建立改進(jìn)動(dòng)態(tài)下垂系數(shù)控制模型。綜上所述,現(xiàn)有文獻(xiàn)主要針對(duì)光伏逆變系統(tǒng)控制策略的穩(wěn)定性、LCL參數(shù)的優(yōu)化以及下垂控制策略系數(shù)的靈敏度特性展開(kāi)研究,然而針對(duì)最大功率約束下垂控制策略的研究相對(duì)較少,因此,本文將針對(duì)這方面展開(kāi)研究,實(shí)現(xiàn)光伏逆變系統(tǒng)功率的穩(wěn)定輸出及最大值的實(shí)時(shí)跟蹤。

1 光伏逆變系統(tǒng)

光伏逆變系統(tǒng)主要由光伏電池板、升壓斬波DC-DC變換電路、逆變器、升壓變壓器、電網(wǎng)和負(fù)載這幾部分組成,電路拓?fù)淇驁D如圖1所示。光伏電板是光伏逆變系統(tǒng)中光電轉(zhuǎn)換的核心部件,由多個(gè)光伏組件經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)連接而成;Boost斬波電路將光伏電板輸出動(dòng)態(tài)變化的電壓升壓到穩(wěn)定電壓值,從而為后端逆變電路提供穩(wěn)定的直流輸入電壓;逆變電路輸出交流電壓經(jīng)過(guò)變壓器升壓到電網(wǎng)或連接到負(fù)載。

圖1 光伏逆變系統(tǒng)原理框圖

1.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及輸出特性

光伏電池是光伏發(fā)電的最小單元,其原理是利用半導(dǎo)體的光生伏打效應(yīng),由于單個(gè)光伏電池產(chǎn)生的工作電壓、工作電流和輸出功率較小,因此一般都是經(jīng)過(guò)多個(gè)電池串、并聯(lián)形成光伏矩陣。光伏電池的等效電路圖如圖2所示,電池特性參數(shù)如表1所示。

表1 電池特性參數(shù)列表

圖2 光伏電池等效電路

由圖2可得電流表達(dá)式:

i=iph-id-ir

(1)

(6)

T=Ta+ks×S

(7)

式中:iph為光生電流;Isco為短路電流;Is0為二極管飽和電流;S0為光照強(qiáng)度額定設(shè)定值;S為光照密度實(shí)際值;Ct為溫度系數(shù);Tref為溫度額定設(shè)定值;Ta為溫度實(shí)際值;q為電子電荷(取為1.6×10-19C);K為波爾茲曼常數(shù)(取為1.381×10-23J/K);Ns為光伏電池串聯(lián)的數(shù)量;A為光伏電池的發(fā)射系數(shù);ks是光照強(qiáng)度影響太陽(yáng)能電池溫度系數(shù),如果設(shè)置成0,表示不考慮光照強(qiáng)度對(duì)電池溫度的影響;Eg是每個(gè)電池的能帶電壓,晶體硅約為1.12 V,非晶硅約為1.75 V;Rs是內(nèi)部串聯(lián)電阻,Rsh為內(nèi)部分流電阻。

1.2 光伏電池輸出特性

光伏電板由540串、20并的光伏單元組成,基于光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行仿真,可以繪制出電池的輸出I=f(U)特性曲線和功率的輸出P=f(U)特性曲線,曲線圖如圖3和圖4所示。取光照強(qiáng)度額定設(shè)定值S0為1 000 W/m2,取光伏電板溫度額定設(shè)定值Tref為25 ℃。光伏電池是一種非線性的直流電源,電流輸出特性曲線是一條遞減曲線。在輸出電壓達(dá)到最大功率點(diǎn)之前,電流的變化緩慢,此時(shí)可以等效為近似恒定電流源;當(dāng)輸出電壓大于最大功率點(diǎn)電壓時(shí),電流快速下降,電壓變化緩慢,可以近似于電壓源。功率輸出特性曲線是一條凸曲線,在達(dá)到最大功率點(diǎn)之前,P和U等效線性比例函數(shù),在達(dá)到最大功率點(diǎn)后,P反而減小,只存在一個(gè)最大輸出功率值Pmax。

圖3 光伏電池U-I變化曲線

圖4 光伏電池U-P變化曲線

光伏電板輸出電壓、功率特性會(huì)隨著光照強(qiáng)度及溫度的變化而變化。圖5、圖6為溫度恒定時(shí),不同光照強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線。隨著光照強(qiáng)度的上升,光伏電池I=f(U)和P=f(U)的特性曲線上移,當(dāng)輸出電流、最大功率增大時(shí),最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓幾乎不變。圖7、圖8為光照強(qiáng)度恒定時(shí),不同溫度值對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線,隨著溫度上升,最大功率點(diǎn)之前的恒定電流幾乎不變,最大功率和開(kāi)路電壓隨著溫度的升高反而減小。

圖5 不同光照強(qiáng)度下U-I變化曲線

圖6 不同光照強(qiáng)度下U-P變化曲線

圖8 不同溫度下U-P變化曲線

1.3 最大功率跟蹤控制策略分析

光伏電板能量轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較低,大致在15%～30%,為了使光伏電板在光照強(qiáng)度及溫度動(dòng)態(tài)變化的情況下獲取最大能量,必須對(duì)光伏電板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制。光伏電板和電力電子變換器的輸出特性都具有非線性特征,但在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi),其可近似看作線性電路。將光伏電板等效為一個(gè)直流電源,后端的變換器等效為負(fù)載,在外部環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的條件下,通過(guò)調(diào)整變換器的等效負(fù)載電阻,使之快速跟隨光伏電池的內(nèi)阻變化而變化,同時(shí)保持兩者之間的阻抗匹配,從而實(shí)現(xiàn)光伏電板功率的最大輸出。

最大功率跟蹤控制策略通常有功率一階微分法、電導(dǎo)增量法、常數(shù)電壓法、擾動(dòng)觀察法等方法,本文將基于變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行光伏電板最大功率的跟蹤控制。根據(jù)光伏電池P=f(U)輸出功率特性曲線可以得出:

(8)

光伏電板輸出功率的微分項(xiàng)是單值函數(shù),其數(shù)值的正負(fù)、大小特性可以反映其偏離最大功率點(diǎn)的方向和大小,基于這些特征定義電壓擾動(dòng)的表達(dá)式為

(9)

式中:δ為步長(zhǎng)調(diào)整系數(shù)δ×(dP/dU)作為調(diào)整量。

當(dāng)輸出功率偏離最大功率點(diǎn)較大時(shí),dP/dU也較大,從而跟蹤的調(diào)整步長(zhǎng)也相對(duì)大些,便于快速跟蹤;而當(dāng)輸出功率偏離最大功率點(diǎn)較小時(shí),dP/dU也較小,此時(shí)工作點(diǎn)將在最大功率點(diǎn)附近進(jìn)行小幅度震蕩,提高了跟蹤精度。

2 光伏系統(tǒng)控制策略

2.1 Boost升壓斬波電路控制策略

Boost斬波電路是一種較為普遍使用的直流升壓電路,其可以提高輸出電壓,獲得較高的功率因數(shù),且控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單,其原理框圖如圖9所示。將后端直流母線電壓的參考值與實(shí)際反饋值相減后送入PI閉環(huán)控制,其PI輸出量作為占控比驅(qū)動(dòng)器件的導(dǎo)通及關(guān)斷工作狀態(tài)的判定。

圖9 Boost電路控制策略框圖

器件導(dǎo)通與關(guān)斷兩種工作模式的等效電路圖如圖10所示。圖10(a)為器件導(dǎo)通狀態(tài)的等效電路圖,光伏電板直流電源向電感充電,電容向后端負(fù)載放電;圖10(b)為器件關(guān)斷狀態(tài)的等效電路圖,光伏電板直流電源和電感同時(shí)向電容和后端負(fù)載放電。當(dāng)電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí),每個(gè)周期中電感在 IGBT 管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)充放電的能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,輸出電壓ud的表達(dá)式為

圖10 器件導(dǎo)通及關(guān)斷狀態(tài)等效電路圖

(10)

式中:α為器件每個(gè)周期的占控比;uin為光伏電板直流電源。

2.2 單相逆變電路并聯(lián)控制策略

光伏逆變器并聯(lián)的控制方式包含有線的集中控制、主從控制、分散控制和無(wú)線的下垂控制策略幾種方式。下垂控制具有無(wú)通訊線功能,各并聯(lián)模組不需要信息交互,不受距離限制,冗余性較好。單臺(tái)逆變器發(fā)生故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成的影響較小,能實(shí)現(xiàn)功率的自動(dòng)均分,且即插即用,易實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn),因此本文將采用下垂控制策略實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并聯(lián)控制。

圖11為光伏逆變系統(tǒng)控制策略框圖,其中 圖11(a)為基于下垂控制的并聯(lián)逆變系統(tǒng)控制策略,光伏電板最大功率跟蹤及策略如圖11(b)所示。首先,基于下垂控制算法給定逆變電路輸出電壓參考值、有功功率部分生成頻率參考值和無(wú)功功率部分生成電壓幅值參考值;其次,將光伏電板輸出最大功率跟蹤值與實(shí)際負(fù)載功率值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較后,選擇相應(yīng)的功率補(bǔ)償值,實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率下垂表達(dá)式的修正;最后,逆變器采用雙環(huán)PR控制策略,將下垂算法所求取的電壓參考與電容電壓實(shí)際反饋送入電壓外環(huán)PR控制器,將其輸出與電感電流實(shí)際反饋送入電流內(nèi)環(huán)PR控制器,最終產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖11 光伏逆變系統(tǒng)控制策略框圖

3 光伏系統(tǒng)仿真

基于光伏逆變系統(tǒng)的原理框圖在電力電子仿真PSIM軟件搭建數(shù)值仿真模型,模型圖如圖12所示。輸入電源包含兩塊光伏電板及儲(chǔ)能蓄電池,光伏電板基于Boost斬波升壓電路將電壓穩(wěn)定在600 V,儲(chǔ)能蓄電池輸出電壓設(shè)定為600 V,為后端單相LCL逆變電路提供穩(wěn)定的直流電源,三套單相逆變電源并聯(lián)運(yùn)行,其輸出電壓為220 V,通過(guò)升壓變壓器升至電網(wǎng)10 kV。仿真模型控制系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)參數(shù)列表

圖12 光伏逆變系統(tǒng)仿真模型圖

當(dāng)負(fù)載總輸出功率小于光伏電板輸出最大限定功率的3倍時(shí),兩塊光伏電板及儲(chǔ)能蓄電池對(duì)應(yīng)的每一臺(tái)逆變器都基于下垂控制策略實(shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)均分控制;當(dāng)負(fù)載總輸出功率大于光伏電板輸出最大限定功率的3倍時(shí),兩塊光伏電板均以最大功率輸出, 而剩余的功率全部由儲(chǔ)能蓄電池提供,兩臺(tái)光伏逆變器實(shí)現(xiàn)功率均分,儲(chǔ)能蓄電池的功率增加。

圖13為光伏逆變系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖,以光伏電板輸出最大限定功率取10 kW為例。0～0.7 s為升壓Boost斬波電路起動(dòng)閉環(huán)過(guò)程;0.7～1.5 s為三臺(tái)單相逆變起動(dòng)閉環(huán)及帶載過(guò)程,總負(fù)載為20 kW,小于三倍光伏電板輸出最大限定功率;1.5～3.0 s為負(fù)載進(jìn)一步提升至33.5 kW,大于三倍光伏電板輸出的最大限定功率。圖13(a)為光伏電板電壓及經(jīng)過(guò)直流升壓斬波控制后的電壓波形圖,光伏電板輸出電壓的平均值約為315 V,升壓Boost電路輸出電壓的平均值約為600 V,負(fù)載動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中電壓的穩(wěn)定性較好;圖13(b)為Boost升壓斬波電路輸出占控比圖,穩(wěn)態(tài)值達(dá)到0.5左右;圖13(c)為單相逆變電路參考電壓及實(shí)際電壓波形圖,通過(guò)波形可以看出三個(gè)逆變電路電壓的跟蹤效果良好,幾乎不存在偏差;圖13(d)為0.7～1.5 s階段逆變電路輸出電流及三臺(tái)總電流波形圖,從圖中可以看出,三臺(tái)逆變電流實(shí)現(xiàn)了均分效果;圖13(e)為1.5～3.0 s階段光伏電板達(dá)到最大限幅時(shí)三臺(tái)單相逆變器輸出電流波形圖,儲(chǔ)能蓄電池對(duì)應(yīng)的逆變電流更大,電流不均分;圖13(f)為三臺(tái)單相逆變器基于下垂控制策略對(duì)應(yīng)的輸出頻率圖;圖13(g)為三臺(tái)單相逆變器基于下垂控制策略對(duì)應(yīng)的輸出有功功率圖;圖13(h)為三臺(tái)單相逆變器基于下垂控制策略對(duì)應(yīng)的輸出無(wú)功功率圖。從仿真結(jié)果可以看出,基于本文提出的最大功率跟蹤下垂優(yōu)化控制策略可以實(shí)時(shí)跟蹤光伏電板最大功率輸出,在負(fù)載功率小于光伏電板最大限制功率時(shí)可以較好地實(shí)現(xiàn)電流及功率均分效果,也可實(shí)現(xiàn)兩種不同功率模式下的動(dòng)態(tài)平滑切換。

圖13 光伏逆變系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率優(yōu)化跟蹤控制問(wèn)題,本文分析了光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及輸出特性,基于變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行光伏電板最大功率捕獲,采用Boost斬波升壓電路為后端逆變器提供穩(wěn)定直流電源,最后基于修正下垂控制有功功率給定值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載功率等下的并聯(lián)控制策略。結(jié)果表明,變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法及改進(jìn)型下垂控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的有效性及可行性。