一種光伏系統(tǒng)控制策略仿真分析

，，

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大、技術(shù)不斷提升，光伏發(fā)電成本也逐步下降，光伏容量將大幅增加。根據(jù)不同的分類方法，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為以下幾類：按照所接入的電壓等級(jí)，可分為中低壓(小于1 000 V)和高壓(大于1 000 V)發(fā)電系統(tǒng)；按照功率等級(jí)，可分為中小功率(一般小于20 kW)和大功率(大于50 kW)發(fā)電系統(tǒng)；按照功率傳遞級(jí)別，可分為單級(jí)式(一般應(yīng)用于大功率系統(tǒng))和兩級(jí)式(一般應(yīng)用于中小功率系統(tǒng))光伏發(fā)電系統(tǒng)；按照是否含有隔離變壓器，可分為隔離型和非隔離型光伏發(fā)電系統(tǒng)。

目前，現(xiàn)有研究主要集中在逆變器的電路結(jié)構(gòu)[1-2]、逆變器的控制技術(shù)[3]、并網(wǎng)孤島檢測(cè)[4-5]及孤島時(shí)逆變器控制方式的轉(zhuǎn)換[6]等方面。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下面主要研究?jī)杉?jí)式非隔離型光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)[7],如圖1所示主要由光伏陣列、BOOST升壓斬波器、電壓源型單相逆變器和輸出濾波器組成，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成熟，前后級(jí)獨(dú)立控制且易于模塊化實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，適用于中小功率的分布式發(fā)電系統(tǒng)中。

圖1 光伏系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

光伏獨(dú)立逆變系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為圖2，假設(shè)功率開關(guān)管是理想器件，高頻變壓器是理想變壓器，整流器也假設(shè)為理想的，那么DC/DC模塊可以簡(jiǎn)化為一個(gè)被升壓的直流電源Ud,即Ud=N·VDC。N為高頻變壓器的匝數(shù)比;VDC為光伏電池MPPT輸出電壓。

圖2 簡(jiǎn)化光伏獨(dú)立逆變系統(tǒng)

其中，ul為逆變器輸出電壓；r為考慮濾波電感L的等效串聯(lián)電阻、開關(guān)管壓降、線路電阻等各種阻尼因素的綜合等效電阻；u0為逆變電源輸出電壓；il為濾波電感L的電流；i0為負(fù)載電流，可以把它看作是系統(tǒng)的一個(gè)外部擾動(dòng)輸入量，這樣處理的好處是既符合逆變電源負(fù)載多樣性的要求，又可以建立一個(gè)形式簡(jiǎn)單又不依賴具體負(fù)載類型的逆變電源數(shù)學(xué)模型。

選擇濾波電容c兩端電壓u0和流過濾波電感的電流作為狀態(tài)變量，可得到等效簡(jiǎn)單電路模型[8,9]系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式如式(1)。

(1)

則系統(tǒng)開環(huán)時(shí)，單相逆變器的線性化等效模型如圖3所示。

圖3 單相逆變器線性化等效模型

由逆變器的等效模型知，逆變器系統(tǒng)是一個(gè)多輸入單輸出系統(tǒng)，系統(tǒng)要保持輸出電壓U0(s)對(duì)調(diào)制信號(hào)Ur(s)的快速準(zhǔn)確跟蹤，就必須對(duì)外部負(fù)載的擾動(dòng)i0(s)具有抑制能力，無(wú)論系統(tǒng)帶任何負(fù)載，系統(tǒng)的輸出電壓波形都不會(huì)發(fā)生畸變，達(dá)到完全跟隨系統(tǒng)的給定信號(hào)[10，11]。

2 控制策略

前級(jí)DC/DC環(huán)節(jié)采用文獻(xiàn)[12]中MPPT輸出電壓，逆變器通常采用雙環(huán)控制，逆變器的雙環(huán)控制分兩類[13]：一類是以濾波電容電流為內(nèi)環(huán)被控量的電容電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制，一類是以濾波電感電流為內(nèi)環(huán)被控量的電感電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)控制。在以濾波電感電流為內(nèi)環(huán)被控量的雙環(huán)控制方式下，負(fù)載電流i0作為逆變器的外部擾動(dòng)信號(hào)，處在電感電流內(nèi)環(huán)環(huán)路之外，因此電感電流內(nèi)環(huán)控制對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抑制作用較差，輸出電壓波形不是很理想。

在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)之上增加一個(gè)直流側(cè)電壓外環(huán)控制，該控制策略使電路在直流母線電容電壓上升時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入功率以匹配輸出功率，保證系統(tǒng)額定功率輸出，避免系統(tǒng)因直流母線過電壓故障導(dǎo)致的系統(tǒng)功率丟失，以提高光伏系統(tǒng)工作的可靠性。

控制策略控制框圖如圖4所示。

圖4 加直流外環(huán)控制控制策略框圖

由于低壓微網(wǎng)主要呈阻性，負(fù)載功率主要由其兩端電壓幅值決定。該控制策略下，當(dāng)光伏輸出功率與負(fù)載消耗功率不相匹配時(shí)，直流母線電壓UDC就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，其與給定信號(hào)UDC*的瞬時(shí)誤差經(jīng)過電壓PI調(diào)節(jié)器后直接將這種變化信息傳遞給交流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)，從而達(dá)到提高負(fù)載功率與光伏輸出功率變化匹配性能。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖5所示。

圖5 單相光伏系統(tǒng)仿真模型

光伏模塊直接引用文獻(xiàn)[14]中模塊，仿真中參數(shù)設(shè)置如下，T=25,S=2 000,即光照強(qiáng)度增強(qiáng)至2 000 W/m2，直流電壓外環(huán)的PI參數(shù)取Kp=0.41，Ki=0.1，逆變器電壓外環(huán)PI參數(shù)取Kp=10，Ki=2 000，電流內(nèi)環(huán)取Kp=0.5，經(jīng)DC/DC變換后的空載的輸出電壓波形如圖6所示。

圖6 直流側(cè)控制電壓輸出波形

圖7 帶負(fù)載后直流側(cè)輸出波形

該光伏系統(tǒng)接一個(gè)單相逆變器，所帶負(fù)載為一個(gè)33 Ω的電阻與一個(gè)10 mH的電感串聯(lián)構(gòu)成，待仿真運(yùn)行到0.5 s時(shí)再并入一個(gè)相同的負(fù)載，仿真運(yùn)行時(shí)間一共1 s。帶負(fù)載運(yùn)行后直流側(cè)輸出電壓波形如圖7所示。可以看出并入一個(gè)負(fù)載以后直流側(cè)電壓略有波動(dòng)，但很快恢復(fù)平衡，且始終停在給定電壓附近。輸出的電壓電流波形如圖8所示。對(duì)輸出電壓進(jìn)行FFT分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖8 輸出電壓電流波形

從仿真結(jié)果可以看到，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行以后，電壓波動(dòng)基本不大，在增加負(fù)載時(shí)，經(jīng)過短時(shí)間調(diào)整，也很快恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，其電壓總諧波畸變率(THD)含量也相當(dāng)?shù)停陀?%。同時(shí)，而負(fù)載在0.5 s增加時(shí)，負(fù)載電流增大，直流側(cè)電壓略微下降，從而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電壓幅值略微下降，從而在光伏功率一定的情況下，一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸入功率與輸出功率的功率匹配問題。

圖9 輸出電壓FFT分析

4 結(jié) 語(yǔ)

建立了以太陽(yáng)能電池為基礎(chǔ)的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型，在控制策略中引入一個(gè)直流側(cè)電壓外環(huán)控制，該控制策略下，在光伏系統(tǒng)功率大于逆變電路功率時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)直流側(cè)流入功率儀匹配輸出功率。從仿真波形中可以看到這種控制能有效地使直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)設(shè)電壓值附近，同時(shí)滿足系統(tǒng)額定功率輸出，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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