三相光伏并網發電技術實驗平臺設計

畢大強,郭瑞光

(清華大學 電氣工程實驗教學中心,北京 100084)

隨著電力電子技術的快速發展和光伏發電成本的日益降低,光伏發電應用越來越廣泛,發電量越來越大[1]。為培養學生的實踐能力,光伏并網發電技術在高校新能源發電課程實驗教學中占有越來越重要的地位。

當前與光伏發電相關的教學平臺研發已有一些,文獻[2]將Matalb仿真與光伏發電技術應用到教學中,文獻[3]利于LabVIEW軟件開發模擬光伏特性曲線,但是缺乏配套實物,無法完成實驗教學內容。文獻[4]提出了一種基于ARM和LabVIEW的光伏逆變器檢測系統,但對光伏特性和控制策略的研究比較簡單。文獻[5]設計了一種太陽能光伏發電新能源實驗研究平臺,分析了光伏特性,但是只對單相光伏離網逆變做了研究。文獻[6]設計了一種單相光伏并網實驗教學平臺,同樣沒有針對大型光伏電站普遍采用的三相并網逆變結構。文獻[7-8]設計了一種風光互補發電實驗平臺,實驗光伏發電和風力發電協調互補工作,但對光伏并網逆變器的控制實驗缺少深入研究。

綜合考慮目前光伏發電教學實驗平臺存在的問題,為體現光伏發電典型技術、滿足實驗教學的方便性以及免受天氣環境影響,本文研制了三相光伏并網發電教學實驗平臺。該平臺采用三相光伏并網逆變器結構,輔助光伏模擬器作為光伏電池,方便學生理解不同條件下光伏特性。三相光伏逆變器與電網之間采用隔離升壓變壓器連接,完成各種控制與保護技術,并設計了基于LabVIEW的光伏并網發電實驗平臺監控系統。

1 光伏逆變器實驗平臺結構設計

如圖1所示,實驗平臺由光伏模擬器、三相光伏并網逆變器、變壓器和上位機監控組成。

圖1 光伏并網實驗平臺拓撲結構

在圖1中,光伏模擬器提供和實際光伏電池類似的電壓-電流特性,可以模擬不同類型的光伏電池板,還可以模擬不同光照強度、不同溫度的光伏特性曲線,以及不同時刻光伏特性曲線的切換。

三相光伏并網逆變器的主要作用是將光伏電池模擬器產生的直流電逆變成交流電,通過升壓隔離變壓器送到電網中。光伏并網逆變器根據需要既可以工作在最大功率跟蹤(MPPT)模式,又可以工作在限功率模式。

上位機包括光伏模擬器和光伏逆變器監控軟件,分別用于光伏特性曲線的設置、切換光伏逆變器的運行控制策略、監測系統運行狀態。

2 實驗平臺工作原理

2.1 光伏電池特性

光伏電池利用光生伏打效應將太陽能轉化為電能。圖2為不同光照強度、不同環境溫度下的光伏電池的輸出特性(圖中電流I、電壓U和功率P都為相對值)。

圖2 光伏電池在不同光照、不同溫度下的特性曲線

2.2 最大功率點跟蹤

為最大限度利用光伏電池產生電能,在光伏發電中通常采用MPPT算法,使光伏電池工作在最大功率點處。光伏發電MPPT算法有多種,如擾動觀察法、電導增量法和智能算法等[9-11]。本文為了讓學生更好地觀察最大功率點跟蹤情況,選用擾動觀察法。

光伏發電系統啟動后,光伏逆變器的直流母線不斷給一個較小電壓擾動量,記錄電壓和觀測功率變化情況,確定擾動方向與下一步電壓參考值的大小,其控制流程圖如圖3所示。其中,V(k)、I(k)和P(k)分別是當前光伏電池輸出電壓、電流和功率；V(k-1)、I(k-1)和P(k-1)分別是前一周期光伏電池輸出電壓、電流和功率,Vref是指令電壓,△V是直流母線的電壓擾動量。

2.3 孤島效應

光伏孤島效應是指并入電網中的光伏逆變器在斷電的情況下,沒有檢測到或者沒有檢測手段,但依然向電網發電。它對配電系統中的用電設備造成不良影響、危害電力維修人員等。為此,光伏并網逆變器需要具備良好的孤島保護。

圖3 擾動觀測法控制流程圖

2.4 三相光伏逆變器

三相光伏逆變器的主電路拓撲結構見圖4,圖中ea(t)、eb(t)、ec(t)為隔離變壓器低壓側三相電動勢；L為網側濾波電感；C為直流母線電容。

三相光伏逆變器兩相旋轉坐標系下數學模型如下:

式中:Udc為直流母線電壓；ud=ed-vd,uq=eq-vq,vd、vq分別為交流輸出側輸出電壓的d、q分量。

圖4 三相光伏并網逆變器拓撲結構

圖5 三相光伏并網逆變器控制框圖

3 實驗平臺設計與實驗

3.1 光伏逆變器實驗平臺和功能設計

實驗平臺的外觀如圖6所示。

圖6 光伏發電實驗平臺外觀

(1) 光伏模擬器額定功率為15 kW,直流輸出最大電壓為1 000 V,直流輸出最大電流15 A。光伏模擬器上位機通過RS232與光伏模擬器相連。通過光伏模擬器上位機配置光伏模擬器為普通直流源模式或光伏電池模式,設置不同直流源輸出特性曲線。

(2) 光伏逆變器額定功率為10 kW,輸出額定電壓為160 V。光伏逆變器上位機監控系統通過RS485通信與逆變器相連,利用上位機監控其工作狀態。

(3) 升壓隔離變壓器額定容量為10 kVA,接線方式為Yd11,變壓器變比為160 V∶400 V,低壓側與光伏逆變器連接,高壓側與電網連接。

3.2 光伏并網逆變器實驗平臺的實驗監控

虛擬儀器技術的快速發展逐漸代替了傳統儀器的地位[12-13],遠程監控更加方便,同時在教學過程中也增加了學生做實驗的安全性。模擬機上位機主界面如圖7所示,通過基于LabVIEW的光伏模擬器上位機對光伏模擬器進行配置、控制、監測和錄波等操作,通過對光伏特性曲線的設置(如光照強度,溫度,光伏板類型等),使學生更好地理解光伏發電特性。逆變器上位機主界面如圖8所示,基于LabVIEW軟件設計開發了光伏逆變器上位機監控系統,該上位機能夠控制光伏逆變器的啟停狀態、MPPT控制、控制切換狀態和故障復位狀態,還可以在PQ控制模式下對功率進行設定,并且對光伏逆變器的電壓、電流、功率等參數進行實時監控。

圖7 光伏模擬器上位機主界面

圖8 光伏逆變器上位機主界面

3.3 MPPT控制實驗

圖9為逆變器處于MPPT控制模式下的光伏模擬器上位機波形曲線和光伏逆變器上位機波形曲線。圖10為光伏特性變化后,MPPT控制模式下的光伏特性曲線變化上位機波形。

由圖9(a)可知，當前設置的光伏特性曲線的開路電壓是513 V,短路電流是6.3 A,最大功率點電壓是400 V,最大功率點電流是5.6 A,最大功率點功率是3 000 W。由圖9(b)可知，當光伏逆變開始運行后，電壓由開路電壓513 V緩慢降到最大功率點電壓400 V,功率由0 W緩慢爬升到最大功率點功率3 000 W,實現擾動觀察法MPPT跟蹤控制策略。由圖9、圖10可知,改變光伏特性曲線后,逆變器通過MPPT控制策略又重新跟蹤到新的最大功率點。

圖9 MPPT控制波形曲線

圖10 變光伏特性下MPPT控制波形曲線

3.4 限功率控制實驗

測試了光伏逆變器限功率控制策略的控制性能。圖11(a)為逆變器處于限功率控制模式下的光伏模擬器上位機光伏特性波形曲線以及功率點運行情況。圖11(b)為逆變器處于MPPT控制切換到限功率控制模式下的光伏逆變器上位機波形曲線。首先處于MPPT控制,最大功率由2 250 W切換到3 000 W,然后切換控制策略到限功率控制,給定有功指令為值為1 000 W,無功指令值300 Var。圖12(a)逆變器處于限功率控制模式下的光伏模擬器上位機光伏特性波形曲線以及功率點運行情況。圖12(b)為逆變器處于限功率控制模式光伏逆變器上位機波形曲線。將給定功率由有功功率指令值1 000 W變為2 000 W,無功功率指令保持不變。可以看出,光伏并網逆變器按照有功和無功指令,準確地達到控制效果。

圖11 限功率控制波形曲線

圖12 變光伏特性下限功率控制變功率指令波形曲線

3.5 孤島監測實驗

電網突然斷電,如圖13所示,上位機檢測出當前光伏變流器處于孤島狀態,觸發孤島保護。

圖13 上位機孤島檢測

4 結語

為實現三相光伏并網發電技術的典型教學實驗內容,建立了三相光伏并網發電技術教學實驗平臺,實現了模擬不同類型光伏電池和不同光伏特性曲線,開放的并網逆變器展示了光伏逆變不同控制策略的切換,具有操作簡單、方便的特點,有助于學生直觀理解光伏發電技術。

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