光伏并網逆變器控制方法的仿真研究

朱湛

中圖分類號:TM4 文獻標識碼:A文章編號:1673-0992(2009)12-019-02

摘要:文章分析了太陽能光伏發電系統的組成,介紹了光伏發電的并網運行。針對光伏并網發電系統中關鍵部件—逆變器的結構與控制進行了詳細分析,并對一種采用滯環電流跟蹤控制的光伏并網發電系統進行了仿真分析。仿真結果證明了該控制方法的可行性和實用性。

關鍵詞:光伏并網;滯環電流跟蹤控制;MATLAB仿真

一、引言

太陽能是人類取之不盡、用之不竭的綠色能源,太陽能光伏發電是一種將太陽光輻射能轉換為電能的發電技術。太陽輻射能經光儀器件轉換為電能,再經過能量存儲、控制、變換等環節,成為可向負載提供直流或交流的電能。在這些環節中電力電子技術對電能的變換與控制發揮著重要作用。

二、光伏發電系統

太陽能光伏發電系統可以分為獨立運行方式和并網運行方式兩種基本類型。

圖1(a)示為獨立運行光伏發電系統的結構框圖。在獨立運行的系統中,需要蓄電池作為儲能單元,它將有日照時所發的剩余電能儲存起來。獨立運行光伏發電系統適用于無電地區和人口稀少的地區。

圖1(b)示為并網型光伏發電系統的結構框圖。并網型光伏發電系統是將電網作為儲能單元,當日照強時系統將所發的剩余電力饋入電網,當需要用電時再從電網吸收電力。并網型光伏發電系統的最大好處是可以省去蓄電池。因此,并網型光伏發電有助于電力系統的調峰。

A 獨立運行方式b 并網運行方式

圖1光伏發電系統結構框圖

三、光伏并網發電系統

1.光伏并網發電系統的結構

圖2所示為一個小功率的并網型光伏發電裝置的電路原理圖。

圖2 光伏發電并網裝置的主電路

主電路的左邊直流側直接與太陽電池的輸出端相接,右邊交流側與電網相連。可以看出主電路由兩部分組成,左側為一個DC-DC變換器電路,右側為一個DC-AC逆變器電路。因為200W的太陽電池板的輸出電壓只有幾十伏,而要將能量反饋回220V的交流電網并獲得較好的電流波形,則逆變器直流側的電壓應高于電網電壓的峰值,因此需要DC-DC變換器完成升壓的任務,這里DC-DC變換器的高頻變壓器同時還起到了電氣隔離的作用。

2.光伏并網運行的工作原理

圖3示為單級光伏并網發電裝置逆變部分原理圖

圖3 單級式光伏并網逆變器電路

當開關器件T1,T4導通時,光伏電池陣列直流側能量饋入電網,并網電流增大,電感儲能增加。

當開關器件T1,T3導通時,光伏電池陣列對直流側電容進行充電,交流側電感儲存能量通過T1及D3組成的回路反饋入電網,并網電流減小,電感儲能減少。

當開關器件T2,T3導通時,電感的儲能通過反并聯二極管D2和D3組成的回路饋入電網,還與光伏電池陣列一起對直流側電容進行充電,并網電流減小,電感儲能減少。

當開關器件T2,T4導通時,光伏電池陣列對直流側電容進行充電,電感儲能通過D2及T4組成回路反饋入電網,并網電流減小,電感儲能也減小。

對于并網電流的負半周,也可以進行相同的分析。這四種開關狀態經過SPWM調制,并通過交流濾波器濾除載波高頻分量后,即可使送入電網的電流波形為正弦波。

3.采用滯環電流跟蹤控制的光伏并網運行

(1)滯環電流跟蹤控制

滯環電流跟蹤控制是一種有效的實時控制方法,具有系統穩定性好、電流跟蹤性能好、響應快、不用載波等優點,適用于逆變器并網運行的控制。

采用滯環控制策略的系統原理圖如圖4所示,由相位檢測環節得到的同步信號與并網電流幅值給定一起送正弦波發生器,生成與電網電壓同頻同相的參考電流信號i*,再經滯環比較器對并網電流反饋信號i與i*偏差進行調制得到開關管控制信號。

圖4 采用滯環電流控制的光伏并網逆變器系統控制原理圖

圖5給出了采用滯環比較方式的單相并網逆變器DC/AC原理圖。

圖5 單相并網逆變器原理圖

把參考電流i*和實際反饋電流i的偏差i*-i作為滯環比較器的輸入,通過其輸出來控制開關器件T1、T4和T2、T3的通斷。當i為正時,T1、T4導通,則i增大;T2、T3導通,則i減小。當i為負時,T1、T4導通,則i的絕對值減小;T2、T3導通,則i的絕對值增大。上述規律可概括為:當T1、T4導通時,i增大,當T2、T3導通時,i減小。這樣,通過環寬為2△I的滯環比較器的控制,i就在i*+△I和i*-△I的范圍內,呈鋸齒狀地跟蹤參考電流i*。

滯環環寬對跟蹤性能有較大的影響。環寬過寬時,開關動作頻率低,但跟蹤誤差增大;環寬過窄時,跟蹤誤差減小,但開關的動作頻率過高,甚至會超過開關器件的允許頻率范圍,開關損耗隨之增大。

(2)采用滯環電流跟蹤控制法對逆變器仿真

基于滯環電流跟蹤控制法建立仿真模型,圖6為采用滯環電流跟蹤控制法的全橋DC/AC逆變部分閉環的MATLAB仿真模型。

圖6 滯環電流跟蹤控制的逆變部分的MATLAB仿真圖

系統控制參數設置為:并網電流反饋增益為0.15,滯環寬度為0.003。逆變部分的主電路參數為:VDC=400 V,L1a=L1b=1.5 mH,L2a=L2b=15 mH,, C=0.47μF,R=10Ω,仿真時間為0.2s。

圖7是穩態工作時并網逆變器電壓及電流的仿真波形,從圖中可以看出逆變器輸出的電流為正弦波,與電壓接近同相位,基本實現了單位功率因數運行。

圖7 并網逆變器電壓及電流的仿真波形

圖8為逆變器輸出電壓及頻譜,逆變器輸出電壓為正弦波,幅值為311.7 V,總諧波畸變率為1.06%。

圖9為穩態工作時并網電流波形及其頻譜,從圖中可以看出,并網逆變器輸出的電流

波形總諧波畸變率為2.95%,幅值7.711 A。

圖8 逆變器輸出電壓及頻譜 圖9 并網電流波形及頻譜

四、總結

文章介紹了光伏并網發電系統的運行,并對單相光伏發電并網系統進行測試,其中逆變器采用滯環電流跟蹤控制。并網逆變器輸出的電壓與電流波形仿真結果與理論分析結果相符,均實現了并網電流與電網電壓同相位即功率因數為1,而且逆變器輸出電壓電流的諧波畸變率都較低,說明該系統中運用滯環電流跟蹤控制具有較好的實時性,驗證了滯環電流跟蹤控制策略在光伏并網發電系統中的可行性。

參考文獻:

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