大功率興伏發電并網系統的研究

沈陽工程學院新能源學院 王 巖 郭 瑞 王帥杰 王殿明

大功率興伏發電并網系統的研究

沈陽工程學院新能源學院 王 巖 郭 瑞 王帥杰 王殿明

隨著太陽能發電的發展，大功率光伏并網系統的研究成為了技術熱點。本文針對傳統的光伏并網拓撲結構展開了深入的研究，設計了大功率光伏發電并網系統。在并網硬件方面本文選用了單級式能量變換結構的三相電壓型全橋拓撲結構為并網變流器的核心結構，由于該結構只存在DC/AC環節，節約了成本，同時單次能量轉換也避免了能量在變換過程的損耗，提高了系統的效率。在軟件控制策略方面，本文首先建立了光伏發電的數學模型，其次利用雙閉環控制方式對光伏并網系統進行SVPWM的控制，同時針對光伏發電最大功率跟蹤問題，本文在傳統的爬山法尋優的策略的基礎上進行了優化設計，提高了尋優的速度與精度。為了驗證本文所提出的理論的正確性，在280kW光伏發電并網試驗平臺上對所設計的變流器器進行了并網試驗，試驗結果表明變流器輸出滿足系統要求，驗證了本文設計的正確性和實用性。

光伏發電并網系統拓撲；光伏陣列；并網變流器

1 光伏發電并網系統拓撲

隨著太陽能光伏發電的迅速發展,大功率光伏發電并網成為了研究熱點。在光伏并網系統(如圖1所示)中關鍵問題存在于兩個方面,其一為大功率光伏發電并網系統拓撲結構的研究,選取合適的拓撲結構是設備硬件的基礎,重點在于可以安全穩定的運行和減少系統的能量損耗,使光伏發電效率最大化;其二為分布式的MPPT技術即大規模太陽能電池板最大功率跟蹤技術。MPPT控制技術主要分為集中式控制和分散式控制,目前集中式控制方式相對比較成熟,也是最為廣泛控制技術但針對大功率的光伏電站,集中式控制不能滿足系統的控制需要,效率較低,分布式控制技術是未來研究的熱點[1]。

圖1 光伏發電并網系統結構圖

光伏并網變流器作為光伏發電并網的核心器件,其結構及效率決定了光伏并網的效率。本文在針對光伏并網變流器常規拓撲結構深入研究的基礎上,選取了三相電壓型全橋逆變器,能量變換結構采用單級式變換形式構成光伏發電并網系統的拓撲結構。采用此設計方案的原因為,針對大功率光伏并網變流器損耗成為了影響系統效率的重要因素,此拓撲結構不存在DC/DC直流升壓變換環節,系統的能量變換環節只存在DC/AC逆變環節,在硬件的成本和設備體積兩個方面都大幅度降低,同時由于只存在一個能量變換環節,系統的器件損耗減少,并網效率提高。同時拓撲結構本身相比于軟開關逆變器和三電平逆變器結構簡單,更方便與在工程應用中實際推廣使用。

2 光伏系統的數學建模

為了更好的對變流器控制策略即太陽能光伏電池最大功率跟蹤的研究,本文首先建立了光伏電池數學模型,其數學表達式為:

式中:Ig為光生電流;Isat為二極管反向飽和電流;Io為光伏電池輸出電流;Vo為光伏電池輸出電壓;T 為光伏電池溫度;q為電子電荷量;A為常數;Rs為光伏電池等效串聯電阻;K為玻爾茲曼常數;Rsh為光伏電池等效并聯電阻。通過該數學模型公式我們可以得出一下結論:電池板光生電流和電池板的面積及輻射強度成正比;二極管飽和電流和管件特性有關;光伏電池板的等效并聯電阻實際是電池板內部漏電流的等效,經過系統仿真驗證該電阻值一般在千歐以上,在控制中可以忽略其影響［2］［3］。

在針對光伏并網變流器的建模方面,由于本文采用的三相電壓型整流器結構PWM的控制方式,考慮到最終的控制模式,數學模型經過三相到兩相變換,兩相靜止到兩相旋轉的坐標系的變換最終表示方式為:

其中Udc為直流母線電壓,R為等效濾波電感和開關器件損耗的等效;L2為交流濾波電感,C為直流支撐電容。

3 系統控制策略及算法

3.1 最大功率點跟蹤控制

在光伏發電并網系統中,控制策略首先考慮的為太陽能電池板的最大功率跟蹤問題,即控制太陽能電池板始終處于最大功率的發電狀態。在傳統的最大功率跟蹤策略中爬山法為經典算法,算法意義為在太陽能池板正常工作時,以電壓作為擾動量,輸出功率作為觀測量,系統不斷的進行擾動,以尋求系統的輸出最大值。具體控制過程為在某一時刻對系統加載電壓增幅的擾動,觀測系統輸出功率的變化,如果系統輸出功率變大,說明此時系統并不處于最優工作點,同時系統的尋優擾動方向正確,系統電壓增幅擾動繼續,直至系統輸出功率不再增大,系統處于最優工作點;同理當加載的增幅電壓帶來的是系統功率下降,說明系統需要的是降壓擾動,尋優過程同理與升壓擾動。傳統爬山法的尋優策略其優點在于控制策略簡單,易于實現,但不斷的尋優過程將造成無法避免的功率損失,降低了系統的效率,同時跟蹤過程中最初始的尋優時間較長,電壓擾動量確定困難,針對以上問題,本文對傳統的爬山法進行了以下改進:

(1)采用變步長的擾動策略,在系統編程時設定尋優的最大擾動值和最小擾動值,當系統輸出功率與設定相差較大時,采用最大擾動,逐步減小擾動量,提高系統的尋優過程速度。

圖2 系統控制原理框圖

(2)在功率計算過程中,系統計算采用放大計算方式,從而提高系統的計算精度,系統具體的控制原理框圖如圖2所示。

3.2 雙閉環控制

光伏發電并網系統變流器的控制策略,本文采用雙閉環控制方式,即內環電流控制,外環電壓控制方式,具體控制原理框圖如圖3所示[5]。電流內環控制策略為變流器的輸出電流與跟定電流比較,電壓外環控制為直流母線電壓與給定電壓比較,比較反饋進入系統,d軸分量控制即為系統的直流電壓,q軸分量控制系統的功率因數,針對系統的反饋結果進行PI調節,利用SVPWM的控制方式,控制變流器的開關器件的通斷,實現針對變流器的控制方式。

圖4 光伏陣列輸出特性曲線

4 仿真和試驗分析

4.1 光伏陣列輸出特性仿真

針對本文所提出的控制策略,在光伏電池板最大功率跟蹤方面,利用matlab軟件進行了系統功率跟蹤精度仿真試驗,輸入參數為實際光伏池板參數,仿真軟件顯示I-V、P-V曲線如圖4所示,從圖中可以得到最大功率Pm=252.1kW,此時電壓Um=604.7V,電流Im=417A。如圖5所示為經過系統編程本文的控制策略,仿真得出的系統直流電壓、電流波形和變流器直流輸入功率波形。從圖5 (a)中可以得到直流功率Pm為253kW,圖(b)為此時電壓與電流,證明了本文的控制策略可以快速精確的實現最大功率跟蹤。

圖5 直流功率和電壓、電流波形

4.2 并網變流器輸出試驗

為了驗證本文所采用的拓撲結構和控制策略共同組成的光伏發電并網系統即并網變流器的效率,在280kW光伏并網試驗平臺上對變流器性能進行了試驗驗證。試驗條件為變流器為56路光伏組串聯接入,電池板自然條件無遮擋,15°傾角平鋪。圖6為系統工作在額定功率時,通道1為交流A相電流波形,通道2為交流B相電流波形,通道3為交流C相電流波形,通道4為直流電壓波形。從圖中可見直流電壓為600V,三相交流電流分別為378A、 380A和376A。在工程應用中變流器的硬件電路存在著器件差異和控制策略等因素,試驗結果為三相電流平衡。

圖6 直流電壓及交流電流波形

在試驗中,以A相作為系統諧波影響研究對象,得到并網總諧波電流為9.3A。工程要求諧波電流小于滿功率運行時總電流的4%,可見本文所設計的變流器滿足系統要求可以作為實際工程應用。

5 結論

本文針對傳統的光伏并網拓撲結構展開了深入的研究,設計了大功率光伏發電并網系統。在并網硬件方面本文選用了單級式能量變換結構的三相電壓型全橋拓撲結構為并網變流器的核心結構,在軟件控制策略方面,首先建立了光伏發電的數學模型,利用雙閉環控制方式對光伏并網系統進行SVPWM的控制,同時針對光伏發電最大功率跟蹤問題,本文在傳統的爬山法尋優的策略的基礎上進行了優化設計,提高了尋優的速度與精度。最后通過對280kW的光伏發電并網系統的現場試驗,驗證了系統性能較好,輸出效率較高,滿足電網的要求。

［1］吳洪洋.高功率多電平變換器的研究和應用［J］.電氣傳動,2000,30(2):7-12.

［2］Martin A.Green.太陽能電池工作原理［J］.技術和系統應用,2010(1).

［3］王平.太陽電池測試儀中數學模型的建立［J］.儀器儀表學報,2002(4).

［4］劉志華,康現偉,于克訓.SVPWM整流器的三種矢量合成方法及其比較［J］.電氣傳動自動化,2005,27(2).

［5］許傲然,張柳,劉峰,張翼.Crowbar電路在低電壓穿越技術中的研究［J］.沈陽工程學院學報(自然科學版),2014(1):35-37.

本文受沈陽工程學院2014年科研項目（項目編號：LGXS-1401）資助完成。

郭瑞（1977—），沈陽工程學院新能源學院副教授，主要研究方向：電力系統新能源及分布式發電。