光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

閻昌國(guó)，劉小雍，李生紅，劉曉宇

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

閻昌國(guó)，劉小雍，李生紅，劉曉宇

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要核心部件，其并網(wǎng)控制策略在改善系統(tǒng)整體性能、提高太陽(yáng)能利用率等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。作者以單相全橋逆變器為研究對(duì)象，分析了并網(wǎng)控制的工作原理，研究了帶與不帶電網(wǎng)電壓前饋的兩種直接電流控制策略。理論分析與實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證實(shí)，加入電網(wǎng)電壓前饋不僅能提高系統(tǒng)的跟蹤精度，還能改善系統(tǒng)并網(wǎng)電流的質(zhì)量。

逆變器；光伏發(fā)電系統(tǒng)；控制策略；電壓前饋

近年來，隨著世界人口的持續(xù)增長(zhǎng)、全球經(jīng)濟(jì)規(guī)模的飛速發(fā)展使得能源短缺、環(huán)境污染和供電緊張等難題日益突出，已嚴(yán)重影響了人類的生存與發(fā)展。為改善生態(tài)環(huán)境，緩解供電緊張，新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并很快受到許多專家學(xué)者的關(guān)注[1,2]。其中，太陽(yáng)能因其取之不盡、用之不竭、清潔無污染的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)在眾多新能源發(fā)電技術(shù)中脫穎而出，并迅速得到應(yīng)用與發(fā)展[3-5]。而逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)技術(shù)的核心部件，承擔(dān)著系統(tǒng)能量傳送與轉(zhuǎn)換的重任，其并網(wǎng)控制策略不僅關(guān)系著系統(tǒng)能否安全可靠、穩(wěn)定高效地運(yùn)行，還在系統(tǒng)的整體性能、促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用[6-8]。為此，本文在以單相全橋逆變器為研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，對(duì)其帶與不帶電網(wǎng)電壓前饋的兩種直接電流并網(wǎng)控制策略進(jìn)行了較為深入的理論分析與研究，最后通過在 Matlab/Smulink中搭建一個(gè)1kW 的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來驗(yàn)證本文理論分析的正確性。

1 并網(wǎng)控制原理分析

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)等效電路

因此，式（1）就是系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所必須滿足的電壓平衡方程，假定電阻忽略不計(jì)，且采用矢量來表示式（1）有：

則依據(jù)式（2）便可作出如圖2所示的矢量關(guān)系圖。假定參考方向如圖中所標(biāo)注，則可知因的存在，電壓間必然有某一大小的相位誤差存在。電壓在系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)會(huì)受市電的箝制，其幅值與相位恒定不變。在直接電流的控制模式下，i的幅值與相位能做到隨時(shí)可控，而對(duì)于容量一定的系統(tǒng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)i的大小也是恒定的。因此，設(shè)計(jì)時(shí)只需控制i的相位始終跟蹤的相位就能保證所設(shè)系統(tǒng)滿足圖2所示的矢量關(guān)系，即在理論上實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行矢量關(guān)系圖

2 并網(wǎng)控制策略分析

圖3為未加入電網(wǎng)電壓前饋的直接并網(wǎng)電流控制策略。ADPLL為全數(shù)字鎖相環(huán)模塊，由FPGA實(shí)現(xiàn)，目的是鎖定電壓的相位，為下一步同步跟蹤實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行做準(zhǔn)備。sin為內(nèi)部存有正弦波表的正弦波發(fā)生器，也由FPGA實(shí)現(xiàn)，目的是依據(jù)ADPLL輸出的相角查表獲得與同頻同相的正弦波。為并網(wǎng)參考電流，由前級(jí)電壓控制環(huán)獲得為 PI控制器的等效傳遞函數(shù)為含PWM與逆變橋的等效傳遞函數(shù)為輸出濾波電感的等效傳遞函數(shù)。則由自動(dòng)控制理論知識(shí)可推導(dǎo)出電流 i的等效傳遞函數(shù)為：

圖3 未加入前饋的控制策略

圖4為加入電網(wǎng)電壓前饋的直接并網(wǎng)電流控制策略，前饋網(wǎng)絡(luò)為圖中虛框部分，其等效傳遞函數(shù)為則可推導(dǎo)出該策略下電流i的等效傳遞函數(shù)為：

圖4 加入前饋的控制策略

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，本文搭建了一個(gè)單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)仿真模型（如圖5所示）。系統(tǒng)容量為1kW，電流設(shè)為6.48A，電感取6mH，電阻取0.4，系統(tǒng)前級(jí)采用400V的恒壓源替代，工作頻率設(shè)為60kHz，示波器輸出值設(shè)置為以縮小10倍的方式來顯示電網(wǎng)電壓。在該系統(tǒng)中分別對(duì)上述所分析的兩種并網(wǎng)控制策略進(jìn)行仿真測(cè)試。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)仿真模型

圖6 未加前饋下的仿真結(jié)果

圖7加入前饋后的仿真結(jié)果

圖6、圖7分別為未加入與加入電網(wǎng)電壓前饋控制策略下的仿真結(jié)果。對(duì)比圖6(a)與圖7(a)知：未加入前饋時(shí)，并網(wǎng)電流峰值明顯要小于給定值6.48A；加入前饋后，并網(wǎng)電流峰值近似等于給定值6.48A，從而證實(shí)加入電網(wǎng)電壓前饋能提高系統(tǒng)的跟蹤精度。對(duì)比圖6(b)與7(b)知：未加前饋時(shí)，并網(wǎng)電流諧波畸變率THD為3.21%，50Hz基頻為2.646；加入前饋后，其諧波畸變率THD降低為1.29%，50Hz基頻提升到6.522，從而證實(shí)加入電網(wǎng)電壓前饋能大大改善并網(wǎng)電流質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文以單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，定性分析了系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制原理，并對(duì)比研究了帶與不帶電網(wǎng)電壓前饋的兩種直接電流控制策略。文中的理論分析表明消除電網(wǎng)電壓擾動(dòng)能極大地提升系統(tǒng)跟蹤精度，改善并網(wǎng)電流質(zhì)量，最終通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該理論分析的正確性。同時(shí)，本研究對(duì)于其他新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一樣適用。

[1]羅劍波,陳永華,劉強(qiáng).大規(guī)模間歇性新能源并網(wǎng)控制技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,22(42):140-146.

[2]李譚龍.新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)[J].通信電源技術(shù),2016,5(33):144-145.

[3]吳理博.光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)綜合控制策略研究及實(shí)現(xiàn)[D].北京:清華大學(xué),2006.

[4]張興,曹仁賢.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[5]陳煒,艾欣,吳濤,等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,2(33):26-32.

[6]吳春華.光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D].上海:上海大學(xué), 2008.

[7]Saad Mekhilef,N A Rahim.Xilin FPGA based three-phase PWM inverter and its application for utlity connected PV sys tem[A].Proceedings of IEEETENCON’02[C].2002.2079-2082.

[8]郭鵬,江智軍,胡煒.電流型光伏并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電測(cè)與儀表,2011,7(48):55-60.

[9]H M Kojabadi,Bin Yu,Gadoura,et al.A novel DSP-based current-controlled PWM strategy for single phase grid connected inverters[J].IEEE Trans on PE,2006,21(4):985-993.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

A Study of the Grid-connection Control Strategy for PV System

YANG Chang-guo，LIU Xiao-yong，LI Sheng-hong，LIU Xiao-yu
(School of Engineering and Technology,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China)

As the core of PV(Photovoltaic)system,the grid-connection control strategy of inverter plays a vital role in improving overall system performance and the utilization rate of solar energy.Based on the single phase full bridge inverter in this paper,this paper analyzes the working principle of the grid-connection control,and studies two kinds of direct current control strategy that with and without the grid voltage feed-forward.Finally,the theoretical analysis and simulation experiments results show that the join grid voltage feedforward control can effectively improve the tracking accuracy of system and the quality of gird-connection current.

inverter;PV system;control strategy;voltage feed-forward

TM46

A

1009-3583（2017）-0097-03

2016-10-15

貴州省科技廳基金資助項(xiàng)目(黔科合LH字[2015]7054號(hào)，黔科合LH字[2015]7015號(hào))；貴州省教育廳青年基金資助項(xiàng)目（黔教合KY字[2016]254號(hào)）；遵義師范學(xué)院博士基金資助項(xiàng)目(遵師BS(2015)04號(hào))

閻昌國(guó)，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院講師，碩士。主要研究方向：電力電子技術(shù)控制與應(yīng)用。