光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能量雙向流動控制策略研究

靳 恒，姜世公，王 衛(wèi)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001）

引言

社會不斷發(fā)展導(dǎo)致對能源的需求持續(xù)增加，常規(guī)化石燃料儲量有限，且在使用過程中污染環(huán)境，能源匱乏及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。世界各國都在積極發(fā)展清潔的可再生能源，光伏發(fā)電是利用太陽能的一種重要形式。目前所研究的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能的不穩(wěn)定性及不連續(xù)性，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)需附加蓄電池或其他儲能裝置以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，增加了系統(tǒng)成本。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，由電網(wǎng)補(bǔ)充不足能量或吸收剩余能量[1,2]。

很多家電內(nèi)部具有整流環(huán)節(jié)，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔?，采用PFC可以提高功率因數(shù)、降低電流諧波含量。設(shè)計為家電等直流負(fù)載供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以減少DC/AC，AC/DC變換過程中造成的能量損失，提高能量利用率[3]。因此，將光伏發(fā)電與家電結(jié)合形成光伏家電，可以有效利用太陽能，具有很好地應(yīng)用前景。本文基于這一考慮，研究了一種為直流負(fù)載供電的能量雙向流動光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。改進(jìn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，實(shí)現(xiàn)局部陰影條件下MPPT。根據(jù)光伏陣列與負(fù)載間的能量供需關(guān)系，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動。通過仿真驗證了所提出的控制策略的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所研究的能量雙向流動光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括光伏陣列、Boost變換器、雙向AC/DC變換器以及直流負(fù)載，并通過雙向AC/DC變換器與電網(wǎng)相連。

系統(tǒng)的工作原理為：Boost變換器始終工作在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)，在一定的溫度及光照條件下使光伏陣列發(fā)出最大的能量。雙向AC/DC變換器則根據(jù)光伏陣列與負(fù)載間的能量供需關(guān)系選擇工作在逆變或PFC狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動。采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，可以最大限度地利用光照，有效提高光伏陣列的工作效率。系統(tǒng)在光照強(qiáng)而負(fù)載輕或無負(fù)載時可以將剩余能量饋入電網(wǎng)，避免能量浪費(fèi)；而在陰雨天或夜間等光照強(qiáng)度很弱甚至無光照時，又可以通過從電網(wǎng)獲得能量保證負(fù)載正常工作[4]。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 Boost 變換器控制策略

Boost變換器采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，控制框圖如圖2所示。光伏陣列電壓、電流經(jīng)過MPPT算法產(chǎn)生光伏陣列參考電壓，將其與實(shí)際電壓比較，通過光伏陣列電壓控制環(huán)節(jié)最終產(chǎn)生開關(guān)管T0的驅(qū)動信號。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 Boost變換器控制框圖

光伏陣列被部分遮擋時，P-V曲線上會出現(xiàn)多個局部的最大功率點(diǎn)，全局的最大功率點(diǎn)則根據(jù)光伏陣列遮擋情況的不同而出現(xiàn)在不同位置[5]。本文在擾動觀察法的基礎(chǔ)上，增加了陰影判斷環(huán)節(jié)，當(dāng)某一時刻光伏陣列電流及電壓的減小量超過一定的閾值時，則判斷光伏陣列被部分遮擋，由式（1）計算出下一時刻光伏陣列的參考電壓，能夠在遮擋發(fā)生時迅速的找到光伏陣列的全局最大功率點(diǎn)，避免出現(xiàn)全局最大功率點(diǎn)誤判的現(xiàn)象。

式中：Vpv*為光伏陣列的參考電壓；VocA為光伏陣列的開路電壓；IscA為光伏陣列的短路電流；Ipv(n)為出現(xiàn)局部陰影時刻光伏陣列的電流。

2.2 逆變模式時雙向AC/DC變換器控制策略

逆變模式時光伏陣列發(fā)出的能量大于負(fù)載所需的能量，Boost變換器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)，雙向AC/DC變換器工作在逆變狀態(tài)，將剩余能量饋入電網(wǎng)，并穩(wěn)定直流母線電壓。圖3為逆變模式時雙向AC/DC變換器控制框圖。直流母線電壓的給定值與實(shí)際值比較，通過電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生交流電流幅值給定，并與電網(wǎng)電壓鎖相產(chǎn)生的單位正弦信號合成參考電流，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生T1～T4的驅(qū)動信號。

2.3 PFC模式時雙向AC/DC變換器控制策略

PFC模式時光伏陣列發(fā)出的能量小于負(fù)載所需的能量，Boost變換器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)，雙向AC/DC變換器工作在PFC狀態(tài)，不足的能量由電網(wǎng)補(bǔ)充，并穩(wěn)定直流母線電壓。圖4為PFC模式時雙向AC/DC變換器控制框圖。直流母線電壓控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生交流電流幅值給定，并與電網(wǎng)電壓鎖相產(chǎn)生的單位正弦絕對值信號合成參考電流，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)，最終產(chǎn)生T2，T4的驅(qū)動信號。

雙向AC/DC變換器實(shí)現(xiàn)PFC，上橋臂兩個開關(guān)管T1，T3始終關(guān)斷，只使用其體二極管，所以可將該電路看作是基本型無橋Boost PFC電路。在電網(wǎng)電壓的的正負(fù)半周期，開關(guān)管T2，T4分別工作，整個電路可以等效成兩個電源電壓相反的Boost PFC電路的組合[6,7]。在電網(wǎng)電壓的一個完整周期內(nèi)，電路共有四種工作模態(tài)，如圖5所示。

工作模態(tài)一：電網(wǎng)電壓正半周期，T2導(dǎo)通，T4的體二極管導(dǎo)通，電感儲能，電容為負(fù)載提供能量。

工作模態(tài)二：電網(wǎng)電壓正半周期，T1及T4的體二極管導(dǎo)通，電感釋放能量，與交流電源同時為負(fù)載提供能量，電容充電。

工作模態(tài)三：電網(wǎng)電壓負(fù)半周期，T4導(dǎo)通，T2的體二極管導(dǎo)通，電感儲能，電容為負(fù)載提供能量。

工作模態(tài)四：電網(wǎng)電壓負(fù)半周期，T2及T3的體二極管導(dǎo)通，電感釋放能量，與交流電源同時為負(fù)載提供能量，電容充電。

全橋PWM整流及基本型無橋Boost PFC均可利用全橋?qū)崿F(xiàn)升壓整流。在相同開關(guān)頻率的條件下，兩種整流方式開關(guān)管及反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通情況如表1所示。可以看出，在一個完整的工頻周期內(nèi)，全橋PWM整流全部開關(guān)管及反并聯(lián)二極管均參與工作，開通和關(guān)斷次數(shù)較多，電網(wǎng)電壓正半周期內(nèi)的一個開關(guān)周期 T2，T3，D1，D4分別開通和關(guān)斷一次，而基本型無橋Boost PFC只有T2，D1開通和關(guān)斷一次，負(fù)半周期同理[8]。因此，全橋PWM整流產(chǎn)生的開關(guān)損耗比基本型無橋Boost PFC要大。在大功率的應(yīng)用場合，采用全橋PWM整流是必要的，可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。但是對于小功率應(yīng)用來說，采用基本型無橋Boost PFC，既能夠滿足功率因數(shù)和諧波含量的要求，又能減少開關(guān)損耗。

圖3 逆變模式時雙向AC/DC變換器控制框圖

圖4 PFC模式時雙向AC/DC變換器控制框圖

圖5 PFC模式時雙向AC/DC變換器四種工作模態(tài)

表1 兩種整流方式器件導(dǎo)通對比

3 系統(tǒng)能量管理

能量雙向流動的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有兩種工作模式，系統(tǒng)根據(jù)光伏陣列與負(fù)載間的能量供需關(guān)系在兩種工作模式之間切換運(yùn)行。根據(jù)分析逆變及PFC模式的原理可知，兩種模式下交流電流的幅值給定均是由直流母線電壓調(diào)節(jié)的輸出決定的。若規(guī)定逆變模式時電流方向與電網(wǎng)電壓同相，則當(dāng)電流幅值給定Iref為正時，系統(tǒng)工作在逆變模式；當(dāng)電流幅值給定Iref為負(fù)時，系統(tǒng)工作在PFC模式。光伏陣列發(fā)出的功率減少或負(fù)載加大時，直流母線電壓會迅速降低；光伏陣列發(fā)出的功率增加或負(fù)載減小時，直流母線電壓會迅速升高。母線電壓的變化會導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)的輸出相應(yīng)變化，同時電流幅值給定Iref也跟隨變化。

表2 給出了光照或負(fù)載變化時系統(tǒng)相應(yīng)的工作模式。Iref保持為正或保持為負(fù)時，在原有的控制模式下自動調(diào)節(jié)交流電流幅值；當(dāng)判斷出Iref由正變負(fù)或由負(fù)變正時，則控制環(huán)節(jié)相應(yīng)切換。采用該方法可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的平滑過渡，使交流電流波形較好，同時能夠很好地穩(wěn)定直流母線電壓，使負(fù)載正常工作。

表2 條件變化時系統(tǒng)工作模式

4 仿真驗證

為了驗證本文所提出的能量雙向流動光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的可行性及控制策略的有效性，根據(jù)上述控制原理，在Matlab/Simulink中建立了系統(tǒng)仿真模型。其中，光伏陣列最大輸出功率1 kW；交流電壓220 VAC/50 Hz，直流母線電壓380 V，負(fù)載額定功率1.5 kW。

圖6 為局部陰影條件下MPPT仿真結(jié)果，上下兩圖分別為光伏陣列的P-V曲線及P-t曲線。由P-t曲線可以看出，0.06 s之前光伏陣列未被遮擋，輸出功率為1 000 W，即對應(yīng)P-V曲線上所標(biāo)出的未遮擋時最大功率點(diǎn)處的輸出功率值，此時光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處；0.06 s之后光伏陣列部分遮擋，輸出功率降為500 W，即對應(yīng)P-V曲線上所標(biāo)出的部分遮擋時全局最大功率點(diǎn)處的輸出功率值，此時光伏陣列工作在全局最大功率點(diǎn)處。由此說明，該MPPT方法能有效地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，跟蹤速度較快，在最大功率點(diǎn)附近波動較小，且對局部陰影條件下的全局最大功率點(diǎn)跟蹤也有效。

圖7 為逆變模式的仿真波形，此時系統(tǒng)空載，光伏陣列發(fā)出最大能量且全部饋入電網(wǎng)，逆變電流最大。可以看出，交流電流正弦度很好，且與電網(wǎng)電壓同相，直流母線電壓穩(wěn)定在380 V左右，波動很小。圖8為PFC模式的仿真波形，此時光伏陣列無能量輸出，負(fù)載所需能量全部從電網(wǎng)獲得，PFC電流最大。可以看出，交流電流正弦度很好，且與電網(wǎng)電壓反相，直流母線電壓穩(wěn)定在380 V左右，波動很小。

當(dāng)光照強(qiáng)度或負(fù)載變化較小時，直流母線電壓上升或下降的幅度較小，電流幅值給定Iref正負(fù)未發(fā)生變化，則系統(tǒng)仍維持在原運(yùn)行模式。

圖9 為光照強(qiáng)度或負(fù)載變化時系統(tǒng)維持逆變模式的仿真波形，可以看出，0.3 s時系統(tǒng)能量供需出現(xiàn)不平衡，為負(fù)載提供的能量大于負(fù)載所需能量，系統(tǒng)迅速調(diào)節(jié)交流電流的幅值，增加向電網(wǎng)饋入的能量，能量供需逐漸平衡，從而維持母線電壓穩(wěn)定。0.5 s時系統(tǒng)能量供需再次出現(xiàn)不平衡，調(diào)節(jié)過程相反。圖10為光照強(qiáng)度或負(fù)載變化時系統(tǒng)維持PFC模式的仿真波形，可以看出，0.3 s時系統(tǒng)能量供需不再平衡，為負(fù)載提供的能量小于負(fù)載所需能量，系統(tǒng)迅速調(diào)節(jié)交流電流的幅值，增加從電網(wǎng)吸收的能量，能量供需逐漸平衡，從而維持母線電壓穩(wěn)定。0.5 s時系統(tǒng)能量供需再次不平衡，調(diào)節(jié)過程相反。

圖6 局部陰影條件下MPPT仿真結(jié)果

圖7 逆變模式的仿真波形

圖8 PFC模式的仿真波形

圖11 為光照強(qiáng)度或負(fù)載變化時系統(tǒng)在兩種模式之間切換的動態(tài)仿真波形，可以看出，0.3 s時負(fù)載加重或光照減弱，直流母線電壓下降，電壓調(diào)節(jié)輸出由正到負(fù)，導(dǎo)致電流的幅值給定由正到負(fù)，系統(tǒng)由逆變模式切換到PFC模式，交流電流波形很好，過渡過程較短，母線電壓下降幅度較小且穩(wěn)定較快。0.5 s時負(fù)載減輕或光照增強(qiáng)，直流母線電壓上升，系統(tǒng)由PFC模式切換到逆變模式，調(diào)節(jié)過程相反。

圖9 條件變化時系統(tǒng)維持逆變模式的仿真波形

圖10 條件變化時系統(tǒng)維持PFC模式的仿真波形

圖11 模式切換的動態(tài)仿真波形

5 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的前級Boost后級全橋的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，提出了一種新的能量雙向流動控制策略，并通過改進(jìn)傳統(tǒng)的擾動觀察法實(shí)現(xiàn)局部陰影條件下最大功率點(diǎn)跟蹤。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，為直流負(fù)載提供電能。通過仿真分析，負(fù)載或光照變化時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)迅速，過渡過程較短，交流電流波形較好，直流母線電壓穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明所提出的控制策略正確有效。

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