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1、光伏并网发电系统的结构和基本原理1.1 光伏并网发电系统的组成及分类 1.1.1 光伏并网发电系统的组成光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电,并且实现既向负载供电,又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件,由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心,它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力
2、电子开关器件组成,以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件,控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。1.1.2 光伏并网发电系统的分类光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏并网发电系统。单级式光伏并网发电系统中,并网逆变器要同时完成MPPT和并网电流控制的任务,即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相;两级式光伏并网发电系统中,并网逆变器只需进行逆变控制,光伏阵列最大功率点跟踪(MPPT)由前级DC/DC变换器完成,并网逆变器通过控制DC/DC变
3、换器的输出电压实现系统功率平衡,并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致。1.2 光伏阵列模块工作点(MPPT)跟踪控制1.1.1 光伏阵列输出特性太阳能电池是利用半导体光伏效应制成, 它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。a:(Iph :光生电流, 正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度; ID:暗电流; Rsh :旁路电阻; Rs:串联电阻; RL:电池的外负载电阻; Uoc :电池的开路电压。)图 2-1 太阳能电池电路模型输出负载RL上电压电流关系 式中 q k:电子电荷量及波尔兹曼常数;A:太阳能板的理想因数, A=1.5;T:太阳
4、能板的温度;Iso :太阳能板的逆向饱和电流,与T有关。由光伏电池数学模型分析可知, 太阳能电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下,即光照1 kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能板的输出开路电压和输出短路电流的值由生产厂家给出3。由图2-2光伏电池输出特性曲线可知, 光伏电池在输出电压较低时, 其输出电流几乎不变,可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线,光伏电池输出功率随输出电压变化而变化,在变化过程中存在一个最大值。图 2-2 太阳能电池典型输出曲线1.1.2 MPPT控制方法观察光伏电池输出功率特性P-U
5、曲线可知, 太阳能电池有一个最优工作点, 叫做最大功率点(MPPT), 它取决于电池板温度和光照大小, 不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率点。即使在同一温度和光照条件下, 由于太阳能电池的工作电压不同, 也会使太阳能电池输出功率不同。要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点, 需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制。最常用的最大功率点跟踪方法有:恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法4等。1、恒定电压跟踪法通过观察光伏系统P-V关系曲线图,发现在一定的温度下,当日照强度较高时,诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧,这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电
6、压,这就大大简化了MPPT的控制设计,即人们仅需从生产厂商处获得数据,并使阵列的输出电压钳位于值即可,实际上是把MPPT控制简化为稳压控制,这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多,对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响,特别是在环境温度变化比较大的场合,会产生较大的偏差,从而浪费较大的电能。CVT控制的优点是:控制简单,易实现,可靠性高;系统不会出现振荡,有很好的稳定性;可以方便地通过硬件实现。缺点是:控制精度差,特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区;必须人工干预才能良好运行,更难预料风、沙等影响。图
7、 2-3 采用CVT控制的控制流程图2、扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出,改变的步长是一定的,方向可以是增加也可以是减少,控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流,这一过程称为“扰动” ;然后,通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率,如果输出功率增加,那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程,如果检测到输出功率减少,则改变“干扰”的方向。当扰动达到稳态后,光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附近的一个小范围内来回振荡,从而导致部分功率损失;其次,难以选择合适的变化步长,步长过小,跟踪的速度缓慢,太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区,
8、步长过大,太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大,跟踪精度下降,从而导致更多的功率损失。由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点:优点:跟踪方法简单,被测参数少,传感器精度要求不高,从而易于实现;缺点:太阳能电池阵列只能在最大功率点附近振荡运行,导致一定的功率损失;跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾;在外部环境突然变化时会出现误判现象。所以,扰动观察法适合于日照强度变化比较缓慢场合。图 2-4 扰动观察法控制流程图3、电导增量法由光伏电池的P-U曲线可以看出,在最大功率点处的斜率为零。通过简单的数学推导后如下:15求功率对电压的导数:达到最大功率点时有下式成立最大功率点右边时有下式成立最大
9、功率点左边时有下式成立上面推导表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的条件是:输出电导的变化量等于输出电导的负值。若不相等,则要判断大于零还是小于零,判断其处于最大功率的左边还是右边,然后决定下一步扰动的方向。电导增量法的优点是:在日照强度发生变化时,太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化,而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点,这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点,如同扰动观察法一样,增量电导法的变化步长也是固定的。电导增量法适合用于光强变化快速和缓慢的各种场合,但是它对于控制器硬件要求相对较高,从而导致控制器的成本
10、增加,因而并不适用小功率的光伏发电场合。图 2-5 电导增量法控制流程图1.3 光伏逆变器的并网控制策略光伏逆变器实现并网运行必须满足:其输出电压与电网电压同频同相同幅值,输出电流与电网电压同频同相(功率因数为1),而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网逆变器的控制一般分为2个环节:第1个环节得到系统功率点,即光伏阵列工作点;第2个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪同时,为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态,系统必须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。 1.3.1 并网逆变器的结构并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心部分。光伏并网逆
11、变器按控制方式分类,可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器,直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入,但由于此大电感往往会导致系统动态响应差,因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质,可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器17,结构如图2-6所示。(a) 电流型逆变器(b) 电压型逆变器图 2-6 电流型、电压型并网逆变器结构图市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源,光伏并网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制,则光伏并网系统和电网实际上就是两个交流电
12、压源的并联运行,这种情况下要保证光伏并网发电系统稳定运行,则必须采用锁相控制技术实现与市电电网同步。在稳定运行的基础上,可通过调整并网逆变器输出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相回路的响应较慢,并网逆变器输出电压值不易精确控制,系统可能出现环流等问题,同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。因此光伏并网逆变器的输出常采用电流控制,此时光伏并网系统和电网实际上是交流电流源和电压源的并联,只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压,即可达到并联运行的目的。这种控制方式相对简单,使用比较广泛。综上所述,本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输入、电流源输出的控制方式,即电压
13、型逆变器。1.3.2 逆变器输出电流优化控制并网逆变器采用的电流控制是将逆变器输出作为电流源,它与电网的并联可看作电流源与电压源的并联工作。并网工作中只需控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪电网电压变化即可达到并联运行的目的。1、 PI控制PI控制采用电流内环,电压外环控制。电流内环控制要求保证工作电流快速跟踪电网电压的波形,所以电流内环PI参数的设置以保证电流快速跟踪为目的;电压外环控制确保直流侧电压稳定工作在最大功率点处,使外界环境发生变化时电路输出仍然有最大的功率输出,电压外环控制一般采用比例积分控制。设滤波电感和线路的等效电阻为,则有: (2-1)对上式做拉氏变换,整理后可得到研究对象的
14、传递函数为: (2-2)而脉宽调制环节和逆变环节的传递函数可以视为一阶惯性环节,即: (2-3)其中,为逆变器增益,大小等于逆变电路的直流电压利用率。为逆变器开关周期。当逆变换环节处于高频工作状态时,开关周期非常小,可以近似为零,此时上式可简化为: (2-4)为了减小电网电压波动对电流内环控制系统的干扰,可加入电网电压前馈环节,此时电流控制方式为前馈-反馈控制系统。这样依靠反馈控制使系统在稳态时准确地控制被调量等于给定值,而在动态过程中利用前馈控制有效地减少被调量的动态偏差38。PI控制算法采用双闭环控制策略,电流内环控制对于进入系统的扰动具有很好的抑制作用,改善了控制对象的动态特性,使控制系
15、统具有较好的鲁棒性;采用电压外环控制确保直流侧工作于最大功率点处,提高了能量的利用效率;加入前馈控制环节,与反馈回路取长补短,进一步克服了电网电压扰动对系统的影响。缺点是指令信号是电网电压的基波正弦波,不是一个定值跟踪系统,且指令信号中含有其他阶次的谐波,仅采用PI控制是无法消除稳态误差的。2、 滞环控制滞环控制是把正弦电流基准值与输出瞬时值比较得到的误差量作为滞环比较器的输入,其输出用来控制逆变电路功率管的通断。该控制方式选择适当的环宽很重要,环宽越小,跟踪误差越小,但开关频率越高,开关损耗越大。该控制方式电路简单、不用载波、电流响应速度快,输出电压波形中不含特定频率的谐波分量。但功率开关频
16、率随负载电流的变化而变化,造成功率开关工作具有很大的不确定性,导致逆变器输出电压中谐波频率随开关频率变化而变化,从而给输出滤波器的设计带来困难。图 2-7 滞环控制框图3、重复控制图 2-8 重复控制框图逆变器的输出电流发生变形常常是因为逆变器的不受控制区域以及电网频率波动的存在。内模控制原理其中的重复控制原理能比较好的解决这个问题。在一个稳定的闭环控制系统中存在着外部输入信号模型,这就是内模控制。基于内模原理的重复控制器具有良好的鲁棒性与稳态性能,它已经被广泛应用于电力电子波形控制中;重复控制器对于周期性指令信号可以获得近乎无差的跟踪特性,而对于外部周期性扰动以及当控制对象与所建立模型失配,
17、或参数因为环境等而发生变化等因素具有较好的抑制能力42。重复控制器把给定信号和反馈信号的误差作为控制指令,然后在下一个周期时把该误差信号与给定信号相加,以消除输出电流中的谐波分量。重复控制器包括周期延迟环节、低通滤波器和补偿器,为一个基波周期内的采样次数。的作用是把当前周期的误差信号作为下一周期控制的输入信号,以消除每个周期中重复出现的扰动。为取值介于0和1之间的常数,实现上一周期衰减的周期扰动信号和本周期出现的扰动信号进行累加。是针对控制对象传递函数设计的补偿器,目的是使控制对象具有零相移、单位增益的特性,改善系统的动态性能43。对光伏并网发电系统而言,取值为逆变器开关频率与基波频率的比值,即载波比。控制对象的传递函数为:控制对象在中低频段增益接近于0,为加快高频衰减,优化系统的动态响应特性,设计一个二阶低通滤波器,截止频率设计为幅值曲线拐角附近的频率,阻尼比 设计为大于1的常数。为增强对周期性扰动信号的快速跟踪能力,消除由于加入低通滤波器带来的低频段的相位偏移,设计超前环节,使系统在中低频段具有零相移的特性。
限制150内