光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要： 設(shè)計并實現(xiàn)光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制器，給出硬件軟件設(shè)計流程。設(shè)計光伏并網(wǎng)方案模塊分析獲取的電壓電流值，得到光伏陣列輸出的最佳電流值，將該值反饋到并網(wǎng)電流管理模塊中，對并網(wǎng)變流器輸出電流實時調(diào)控，確保其處于最佳狀態(tài)，使得并網(wǎng)電能的消耗最低化。通過小波分析方法檢測光伏電網(wǎng)孤島效應(yīng)，并調(diào)控并網(wǎng)電流定位模塊終止工作，避免能量的浪費，實現(xiàn)節(jié)能控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計控制器節(jié)能控制效果顯著，可實現(xiàn)能耗的均衡。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； 并網(wǎng)系統(tǒng)； 節(jié)能； 控制器

中圖分類號： TN965?34； TP29 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0161?04

Abstract： The energy saving controller for photovoltaic power generation grid?connected system was designed and implemented. The design processes of hardware and software are presented. The optimal current value of the photovoltaic array output is obtained by means of the voltage and current values acquired from module analysis of the designed photovoltaic grid?connected scheme. And then the current value is fed back to the grid?connected current management module to control the output current of grid?connected inverter in real time， so as to ensure it in the optimal status， and make the consumption of grid?connected electric energy minimum. The wavelet analysis method is used to detect the islanding effect of the photovoltaic grid， regulate the grid?connected current positioning module for work ending， avoid the waste of energy， and realize the energy?saving control. The experiment results indicate that the energy?saving control effect of the designed controller is remarkable， and the controller can realize the balance of energy consumption.

Keywords： photovoltaic power generation； grid?connected system； energy saving； controller

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對能源需求量增加，節(jié)能減排成為人們研究的重點問題[1?3]。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可將太陽能變換成電能，通過三相的方式融入電網(wǎng)。該種方法能夠最大程度利用太陽能，方便電網(wǎng)對電能的控制。但該系統(tǒng)存在發(fā)電成本高、發(fā)電效率低等問題，并且容易受到環(huán)境的干擾，導(dǎo)致發(fā)電存在隨機性弊端。因此，設(shè)計節(jié)能控制器確保光伏發(fā)電中的并網(wǎng)系統(tǒng)的能量應(yīng)用最低化[4?6]。文獻[7]通過虛擬儀器方法設(shè)計了光伏運行監(jiān)控器，對光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)以及電能進行檢測，容易受到外界環(huán)境以及儀器自身缺陷的干擾，具有一定的局限性。文獻[8]采用無差拍功率控制方法對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行管理，實現(xiàn)節(jié)能控制，但是該方法對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特征較為敏感，一旦系統(tǒng)特征出現(xiàn)丟失或受到噪聲干擾，該方法的節(jié)能控制質(zhì)量將大大降低。文獻[9]分析了依據(jù)光伏逆變器控制平臺的節(jié)能控制方案，該控制方案具有較高的抗干擾性能，但控制精度較低，節(jié)能效果較差。文獻[10]提出的基于虛擬儀器技術(shù)的光伏發(fā)電并網(wǎng)節(jié)能控制方法，塑造光伏系統(tǒng)的發(fā)電部仿真模型，獲取光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出特征，實現(xiàn)系統(tǒng)的自我診斷，該方法具有較高的控制精度和節(jié)能效果，但是需要消耗大量的能量。

針對上述分析的問題，設(shè)計并實現(xiàn)光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制器，其包括光伏陣列特性控制模塊、并網(wǎng)輸出功率控制模塊、并網(wǎng)電流控制模塊和孤島效應(yīng)的防治模塊。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能控制器的設(shè)計

1.1 節(jié)能控制器的結(jié)構(gòu)組成關(guān)系

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能控制器包括并網(wǎng)最大功率點定位管理模塊、光伏并網(wǎng)方案模塊、并網(wǎng)電流管理模塊和孤島效應(yīng)防治模塊。4個模塊協(xié)同工作，構(gòu)成光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能控制器，如圖1所示。

最高功率點定位模塊采集光伏陣列的輸出電壓電流，對變流器進行管理，確保其處于最大功率輸出的狀態(tài)，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的能耗最佳，避免電能的浪費。同時將獲取的電壓電流值反饋到光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方案模塊中。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)方案模塊運算獲取光伏陣列輸出的最佳電流值，并將該值反饋到并網(wǎng)電流管理模塊中。并網(wǎng)電流管理模塊實時控制并網(wǎng)變流器輸出的電流，使得其處于最優(yōu)狀態(tài)，確保光伏并網(wǎng)電能消耗量最低。孤島效應(yīng)防治對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行分析，如果存在孤島效應(yīng)，則調(diào)控并網(wǎng)電流定位模塊終止工作，抑制電能的過量消耗，實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

1.2 最大功率點定位管理模塊的設(shè)計

太陽能陣列輸出功率和輸出電壓間存在非線性關(guān)系，在不同的光照強度和環(huán)境溫度情況下，光伏陣列輸出功率和電壓間具有不同的關(guān)系曲線，但各條工作線尋找一個工作點，該點具有最大輸出功率，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能陣列的最佳運行點。通過最大功率定位算法確保太陽能陣列的輸出處于最佳運行點，可增強太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，提高電能的使用率，實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率定位管理模塊是一個Boost變換器，對該變換器的開關(guān)占空比進行調(diào)控，能夠調(diào)控Boost變換器的輸入電流，實現(xiàn)光伏陣列輸出電壓的管理，完成最大功率定位。定位過程中采用的光伏陣列Boost控制電路如圖2所示。

對Boost控制器輸出脈沖占空比D進行調(diào)控，可將負載電阻[RL]設(shè)定在0～R范圍內(nèi)，確保[RL]與光伏陣列的等效阻抗[Req]匹配。Boost變換器不消耗有功功率，該情況下的負載電阻R能夠獲取最高傳輸功率，最終最大功率地使用光伏電池板輸出的能量。

最大功率點定位過程包括兩部分：先按照光伏陣列的輸出電流以及電壓的檢測結(jié)果，采用電導(dǎo)增量方法獲取輸出光伏陣列工作點的電壓參考指令[Vref]，再將[Vref]經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器和Boost變換器的輸入電壓閉環(huán)管理，完成光伏陣列的最大功率點定位控制。該過程的實現(xiàn)如圖3所示。

1.3 基于SVPWM的并網(wǎng)電流管理模塊設(shè)計

電壓源型變流器中的三維空間矢量控制，僅可利用矢量合成對光伏并網(wǎng)的輸出電壓進行管理。為了準(zhǔn)確實時地定位參考電壓，通過基于開環(huán)空間矢量控制（SVPWM）的電流閉環(huán)控制方案，優(yōu)化并網(wǎng)電流管理模塊設(shè)計，確保光伏并網(wǎng)能獲取最佳電流量，確保并網(wǎng)能耗最低。

設(shè)計的并網(wǎng)電流管理模塊具有電網(wǎng)電壓前饋開環(huán)SVPWM電流閉環(huán)控制方案，將數(shù)據(jù)處理器當(dāng)成關(guān)鍵模塊，該并網(wǎng)電流管理模塊如圖4所示。

圖4中的并網(wǎng)電流管理模塊中的各環(huán)節(jié)由對應(yīng)的程序構(gòu)成，電源變流器的傳遞函數(shù)為[H（s）]，采用濾波輸出電路。采用數(shù)字控制器管理程序，對電流調(diào)控器以及前饋調(diào)控器運行狀態(tài)進行調(diào)控。電流定位控制器運行過程中，在相同時刻采集并網(wǎng)母線中的電網(wǎng)電壓和輸出電流[Ic]，對光伏并網(wǎng)方案的運算，獲取輸出電流的參考值[Ic*]，對比分析該參考值和真實電流，將二者的差值當(dāng)成最佳電流值，同時將該最佳電流值輸入到電流調(diào)控器中。采樣后的電網(wǎng)電壓融入電壓原型交流器的輸出信號中，完成前饋彌補，過濾電網(wǎng)電壓的不利干擾，提高電網(wǎng)電能信號傳遞的效率，最大程度使用電能。如果電網(wǎng)電流采樣周期為T，則電流定位控制器的采樣延遲為[e-sT]。

2 節(jié)能控制器的軟件設(shè)計

采用STM32嵌入主流的實時操作系統(tǒng)mc/os?Ⅱ設(shè)計節(jié)能控制器軟件，在該系統(tǒng)上進行程序設(shè)計，可簡化程序。節(jié)能控制器軟件設(shè)計主流程圖如圖5所示。圖5中描述的光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制器的軟件設(shè)計過程如下：對采集的光伏電網(wǎng)電壓、電流信號進行A/D操作，通過最高功率點定位模塊獲取光伏陣列的輸出電壓電流，并將結(jié)果輸入光伏并網(wǎng)方案模塊進行分析，獲取光伏并網(wǎng)的最佳電流值，依據(jù)該參照值并網(wǎng)電流管理模塊對并網(wǎng)變流器的輸出電流進行定位。采用小波分析方法檢測光伏電網(wǎng)孤島效應(yīng)，并調(diào)控并網(wǎng)電流定位模塊終止工作，實現(xiàn)節(jié)能控制。

3 實驗分析

通過實驗驗證本文設(shè)計的節(jié)能控制器的性能優(yōu)劣。實驗系統(tǒng)下，光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)在平穩(wěn)狀態(tài)下以及開始工作時，本文控制器獲取的電壓波形，如圖6所示。圖6（a）為獲取的光伏太陽能陣列信號未超過A/D輸入?yún)^(qū)域，節(jié)能控制器沒有進行節(jié)能調(diào)控時的電壓波形；圖6（b）為獲取的信號超過A/D輸入?yún)^(qū)域，節(jié)能控制器進行節(jié)能調(diào)控時的電壓波形。

圖7是光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在輕載狀態(tài)下的PWM波形。對比分析圖6和圖7能夠看出，系統(tǒng)的電壓有效值低于未進行節(jié)能調(diào)控時的電壓值，取得了較高的節(jié)能效果。

實驗采用本文設(shè)計的節(jié)能控制器，對采用光伏發(fā)電的XIAU小屋的能量使用情況進行節(jié)能控制，實驗?zāi)M不同小屋的日常起居，定時開啟相關(guān)的家電，對一段時期中的小屋能量使用數(shù)據(jù)進行分析。圖8為不同小屋的用電情況統(tǒng)計。由圖8可以看出XIAU小屋的用電量最低。因此，采用本文設(shè)計的節(jié)能控制器對XIAU小屋進行節(jié)能控制的節(jié)能效果顯著。各小屋的發(fā)電量、用電量以及盈余電量的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

通過表1和圖9可以看出各小屋都實現(xiàn)了能耗平衡。采用本文節(jié)能控制器調(diào)控下的XIAU小屋的能耗平衡效果最佳，具有較高的光伏發(fā)電量，達到493.45 kW·h，用電量最低為110.29 kW·h，盈余電量最多為363.26 kW·h。這些數(shù)據(jù)說明了本文設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能控制器具有較高的應(yīng)用價值，實現(xiàn)了節(jié)能的目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計并實現(xiàn)光伏發(fā)電中并網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制器，其包括并網(wǎng)最大功率點定位管理模塊、光伏并網(wǎng)方案模塊、并網(wǎng)電流管理模塊和孤島效應(yīng)防治模塊。最高功率點定位管理模塊采集光伏陣列的輸出電壓電流，管理變流器，確保其處于最大功率輸出的狀態(tài)，提高能量的使用效率。光伏并網(wǎng)方案模塊分析獲取的電壓電流值，得到光伏陣列輸出的最佳電流值，將該值反饋到并網(wǎng)電流管理模塊中，對并網(wǎng)變流器輸出電流實時調(diào)控，確保其處于最佳狀態(tài)，使得并網(wǎng)電能的消耗最低化。通過小波分析方法檢測光伏電網(wǎng)孤島效應(yīng)，并調(diào)控并網(wǎng)電流定位模塊終止工作，避免能量的浪費，實現(xiàn)節(jié)能控制。實驗結(jié)果說明，所設(shè)計控制器節(jié)能控制效果顯著，可實現(xiàn)能耗的均衡。

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