探討新型多端輸入光伏并網系統運行的控制策略

劉運奎

摘要：本文結合多端輸入光伏并網系統運行中各輸入端的光伏陣列光照強度差異所導致的功率不平衡問題，設計一種針對多端輸入光伏并網系統變換器調制量進行補償控制的策略，以對系統運行中各直流端的電壓平衡進行控制，并對該運行控制策略通過模型構建進行驗證分析。

關鍵詞：新型 多端輸入 光伏并網 系統運行 控制策略

太陽能資源是一種具有較大開發與利用價值的可再生能源，對太陽能資源的持續開發與利用實現，進行具有友好型、靈活型以及安全型特征優勢的光伏并網系統開發與研究的價值意義更加顯著。根據當前對光伏并網系統的開發與研究應用現狀，主要以集中式、集散型與組串式三種光伏并網系統結構形式為主，其中，對基于級聯多電平變換器的多端輸入集散式光伏并網系統及其結構的研究和開發近年來關注更多。這種光伏并網系統結構在實際設計運用中，能夠通過對直流側各輸入端口的DC/DC變換器設計運用，以實現對系統運行中各光伏陣列單元的MMPT控制，從而促進太陽能資源的利用效率提升。值得注意的是，這種多端輸入光伏并網系統在實際設計運用中也存在著各光伏陣列光照強度不一致的情況下，會導致整個系統運行的功率不平衡問題發生，是其系統開發與設計研究關注的重點。下文將對多端輸入光伏并網系統的運行控制策略進行研究，以供參考。

1、多端輸入光伏并網系統的結構組成及功能特征分析

如下圖1所示，即為基于DAB（雙主動全橋）變換器的多端輸入光伏并網系統結構示意圖。根據該圖可以看出，其系統結構主要包括多光伏陣列以及DAB變換器、多級聯多電平DC/AC變換器等。其中，系統運行中，通過將DAB變換器低壓直流端和光伏陣列進行連接，同時其高壓直流端和級聯多電平DC/AC變換器進行連接，從而實現多端輸入的光伏并網運行支持。此外，該系統結構中，通過多端輸入實現較大規模的集中式光伏陣列的分布式連接以及對各光伏陣列模塊運行實現獨立控制，其控制模式為MPPT控制，以促進系統運行中對太陽能資源的利用效率提升，從而滿足多端輸入光伏并網運行的需求。

根據上圖1所示的多端輸入光伏并網系統結構情況，其中，DAB轉換器作為該系統的基本結構單元，一般是由全橋變換器以及直流電容、輔助電感、高頻變壓器等組成，如下圖2所示，即為多端輸入光伏并網系統中DAB變換器的網絡拓撲結構形式。其中，C1和C2即為DAB變換器的直流電容，分別為該變換器低壓與高壓端的直流電壓;而L1為輔助電感，T為高頻變壓器，、為二極管，、為開關管。多端輸入光伏并網系統中的DAB變換器工作運行中是采用移相控制策略，其工作運行中兩側全橋開關頻率設置為相同頻次，而對角開關管為交替導通狀態，其導通角度為180?，同時兩側全橋逆變輸出電壓為占空比50%的方波電壓，因此，該變換器工作運行中通過方波相角的控制就能夠對電感兩端電壓以及相位進行控制，從而實現變換器工作運行的功率大小及流向控制，對其工作運行進行支持。

上圖1所示的多端輸入光伏并網系統中，DAB變換器主要用于光伏陣列MPPT控制，其控制運算的主要方法為電導增量法，即在變壓器變比以及開關頻率、高壓端直流電壓、電感等參數確定情況下，通過對移相比取值進行改變能夠實現不同的低壓端直流電壓值計算求取，從而可獲取光伏陣列的輸出電壓，并且在情況下即能滿足對光伏陣列的MPPT控制。總之，根據上述分析可以看出，DAB變換器在多端輸入光伏并網系統運行中的具體控制策略為：通過DAB變換器對光伏陣列的MPPT控制方式，在經過MPPT控制后產生相應的電壓參考值，同時將電壓誤差通過PI控制器進行放大并獲取有關移相角，在脈寬調制作用下形成驅動脈沖輸送到兩側的全橋變換器中，對系統運行進行支持。

此外，該多端輸入光伏并網系統中，多級聯多電平DC/AC變換器是以單相DC/AC變換器作為基本單元構成的，通過多個完全相同的DC/AC變換器的交流輸出端進行串聯后經電感接入到電網系統中，同時在直流端與DAB變換器的高壓直流端進行獨立連接。多級聯多電平DC/AC變換器控制一般有空間矢量PWM控制和優化PWM控制、載波移相正弦脈寬調制控制等不同方法，本文為便于研究開展以載波移相正弦脈寬調制控制為例，通過相鄰的DC/AC變換器子單元載波移相角的相差以及相電壓輸出波形變化進行控制。其中，對級聯多電平DC/AC變換器可以與兩個正頻正弦交流電源相等效在電感兩端進行連接應用，并通過對該電源之間的相位及幅值變化進行調節，實現其傳輸功率調節。如下圖3所示，即為級聯多電平DC/AC變換器的網絡拓撲結構示意圖。

2、多端輸入光伏并網系統的運行控制策略

根據上述對多端輸入光伏并網系統結構及各結構單元工作運行特點的分析，結合該系統實際設計運用情況，為實現系統運行的各直流端電壓平衡控制，本文研究中通過將三相多端光伏并網系統結構與三相逆變器相等效，在此基礎上根據三相并網電流及電壓、各相級聯多電平變換器的輸出電壓、系統各DAB變換器高壓端直流電壓平均值等參數進行計算確定后，通過構建系統微分方程，并進行dq解耦獲取對應方程式后，如下（1）所示。

以上述系統結構中每相設置有3個DC/AC變換器，那么即可獲取級聯多電平DC/AC變換器的dq解耦控制策略。具體控制過程為：在直流電壓誤差經PI控制器進行放大形成d軸參考電流，同時q軸參考電流為0，那么dq軸的電流誤差信號在通過PI控制器放大并解耦形成相應的調制量，通過載波移相對各DC/AC變換器調制量進行獲取，將各調制量與三角載波進行對比，即可得到開關管的驅動脈沖，同時針對系統運行中的每相直流電壓平衡問題，通過級聯多電平百年換器調制量補償控制，通過對各DC/AC變換器調制比進行改變來實現直流電壓平衡保證。如下圖4所示，即為多端輸入光伏并網系統運行的控制策略。

3、實例驗證

根據上述所設計的系統運行控制策略，為對其實際設計運用的可行性及有效性進行驗證，通過構建以PSCAD/EMTDC系統為支持的仿真模型，將各單元光伏陣列額定輸出功率設定為500kw，交流電壓有效值設置為10kv，DAB變換器高壓端直流電壓設定為3kv、開關頻率設置為10kHz、輔助電感設置為5.76μH、單元直流電容設置為5000μF，同時設定每相DAB變換器數量為3、級聯單元DC/AC變換器數量也為3，高頻變壓器變比為1：5。在此基礎上開展仿真實驗分析，結果顯示通過級聯多電平變換器調制量補償控制能夠實現各直流端電壓平衡，具有較好的運行控制效果，如下圖5所示。

4、結束語

總之，對多端輸入光伏并網系統的運行控制策略研究，有利于促進多端輸入光伏并網系統及運行控制的開發應用，促進電網建設與電力事業發展，具有十分積極的作用和意義。

參考文獻

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