光伏发电系统利用直流异步电机并网控制方法的研究*

孙　颖，　张建成

(华北电力大学 电力工程系，河北 保定　071003)



孙颖，张建成

(华北电力大学 电力工程系，河北 保定071003)

摘要：针对光伏并网逆变器存在成本高、故障率高、谐波含量大及控制复杂等问题，提出了一种实用的光伏发电系统利用直流-异步电机并网的方案。该光伏并网系统中直流电机和笼型异步电机同轴旋转，实现直流电能和交流电能之间的转换。由光伏电源为直流电机供电，直流电机拖动异步电机完成电机的起动过程；当电机转速接近同步速时并网开关合闸，实现光伏发电系统的并网运行。光伏系统并网后，通过调节直流电机的端电压实现对异步电机输出有功功率的控制，保证直流母线电压的稳定。在MATLAB/Simulink环境下对光伏电源利用直流-异步电机并网系统进行仿真，仿真结果验证了该方案的正确性和可行性。

关键词:光伏并网发电； 直流电机； 笼型异步电机； 有功功率控制

0引言

随着世界经济的飞速发展，人类对能源需求量的日益增加，以及传统能源的日渐枯竭、环境污染等问题的日益严重，太阳能作为一种清洁且取之不尽、用之不竭的可再生能源引发人们的广泛关注。可再生能源的开发和利用成为解决能源危机、改变能源结构的新途径，光伏发电越发受到世界各国的关注。随着光伏产业的迅猛发展，光伏发电系统正在由独立运行向并网发电运行方向发展，光伏系统的并网发电技术也逐渐成为光伏发电系统稳定运行的关键环节。

目前，光伏发电系统的并网大多通过逆变器实现，逆变器存在成本高、故障率高和控制复杂等问题，且逆变器的并网运行存在诸多问题。文献[1]指出，逆变器的强非线性会使其在一定条件下表现出复杂的不规则行为，可能导致系统的不稳定，影响系统的正常并网运行。文献[2]指出，电网电压不平衡时，并网电流中将出现负序分量和谐波分量，引起逆变器输出直流电压，影响逆变器的稳定运行和并网的电能质量。这种影响在多台逆变器并联的情况下更为明显。文献[3-4]指出，逆变器输出电流中的直流分量会影响逆变器本身的正常工作，对其直接负载造成损害，并使配电网变压器饱和，导致过热、跳闸，产生偶次谐波，损害电网负载。文献[5]指出，相对于奇次谐波，并网逆变器偶次谐波对电网的危害更大。文献[6]指出，逆变器同一桥臂上开关管的死区，变压器磁心磁饱和，开关管的通态压降以及电网电压的失真等会造成并网逆变器产生低次谐波。文献[7-8]指出，并网逆变器的电流参考信号是通过对电网电压的锁相得到的，因此，电网背景谐波会对并网逆变器的电能质量产生严重影响。与逆变器相比，电机成本低、寿命长，且直流电机具有优异的调速性能，对转速的控制易于实现[9-10]，笼型异步电机结构简单、并网控制容易、运行可靠且维护方便。因此，本文提出光伏电源利用直流电机和笼型异步电机实现并网的方案。光伏发电系统采用该方案并网时电能质量不受电网背景谐波的影响，且在大容量并网情形下能够节约成本。

1光伏并网发电系统的结构

光伏电源利用直流-异步电机并网系统结构如图1所示。

图1　光伏并网系统结构图

由图1可见，该光伏并网系统由光伏阵列、两级DC/DC直流变换器、直流电机、笼型异步电机及控制系统组成。前级DC/DC变换器采用Boost升压电路，实现光伏发电系统的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking， MPPT)控制，使光伏阵列维持最大功率输出运行。后级DC/DC变换器采用Buck降压电路，实现直流母线的稳压控制，使直流母线电压在光伏阵列输出功率变化时能够稳定在固定值。光伏阵列输出的直流电能经过直流电机转换为机械能，带动异步电机同轴旋转，完成电机并网系统的起动过程。由自动装置检测和判断，当异步电机转速接近于同步速时并网开关合闸，实现光伏发电系统与电网的互联，并网后异步电机由电网励磁实现发电，将机械能转换为交流电能，实现光伏发电系统与电网之间的能量传递。

2MPPT控制

光伏电池的输出功率受工作环境如辐照度、负载和温度等因素的影响而发生变化。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。光伏发电系统中，利用MPPT控制使光伏阵列在环境变化时维持最大功率点输出是提高系统效率的重要方式。本文中的MPPT控制选用扰动观察法，通过周期性改变光伏阵列的输出端电压来寻找最大功率运行点。若电压变动后输出功率增大，则电压朝同一方向继续变动；反之，若电压变动后输出功率减小，则在下一周期中令电压朝向反方向变动，直至找到最大功率点为止。通过控制Boost电路中IGBT的开关状态使光伏阵列工作在最大功率点。控制原理如图2所示。

图2　MPPT控制框图

图2中IPV为光伏阵列输出电流，UPV为光伏阵列端电压，UPV_ref为经过最大功率跟踪后得到的光伏阵列端电压参考值，g为经过控制器后得到的IGBT门极触发信号。

3光伏发电系统并网控制

光伏并网控制系统的目标是在电机转速接近同步速时并网开关合闸，实现光伏发电系统的并网运行。并网后，在光伏阵列输出功率变化时，保证光伏系统向电网侧输送功率与光伏阵列输出功率间的平衡，保持直流母线电压的稳定。

3.1系统功率与直流电压的关系

系统功率流动与直流母线电压的关系可表示为

(1)

式中：Cdc——直流母线并联电容器的电容值；

Udc——直流母线电压；

PPV——光伏阵列经MPPT控制的输出功率；

PR——直流负荷消耗的功率；

Pout——光伏电源经过电机并网系统向电网传输的功率。

3.2功率调节原理

在额定励磁下，忽略电枢反应，直流电机的电枢回路电压平衡方程为[9]

(2)

式中：Ua——直流电机端电压；

Ra、ia、L——电枢回路电阻、电流、电感；

E——电机反电动势；

Ce——电动势常数；

n——电机转速。

直流电机轴上的动力学方程为

(3)

式中：Te——电磁转矩；

TL——负载转矩；

J——直流电机转动惯量。

Te=CTia

(4)

式中：CT——电磁转矩常数。

整理可得

(5)

由式(5)可见，当励磁电流和电机参数一定且负载转矩不变时，直流电机的转速由电机端电压决定，电机端电压越大则直流电机转速越高。

直流电动机的电磁功率为

Pe=Teω

(6)

式中：Pe——直流电机电磁功率；

ω——电机角速度。

整理可得

(7)

由式(7)可见，当负载转矩一定时，直流电机的电磁功率由电机转速决定，转速越高时电磁功率越大。因此，通过调节直流电机的端电压可以实现对电机转速和电磁功率的调节。

异步电机的转差率为

(8)

式中：n1——电机同步转速。

异步电机的电磁功率与转差率的关系为

(9)

式中：PM——异步电机电磁功率；

m——相数；

p——定子极对数；

U1——定子端电压；

r1、x1——定子电阻、电抗；

ω1——同步角速度；

f1——定子频率。

由式(9)可见，异步电机并入电网后电机定子端电压及频率等值固定不变，异步电机的输出功率与转差率呈反比变化，即与电机转速呈正相关变化，与直流电机端电压呈正相关变化。

可见，光伏系统并网后，通过控制直流电机的端电压，即控制与直流电机相连接的Buck电路中IGBT的开关状态能够实现光伏电源向电网侧输送功率Pout的调节。当光伏阵列输出功率增加时，通过调节Buck电路中IGBT的开关状态使异步电机向电网输送功率增加；反之，当光伏阵列输出功率降低时，通过调节Buck电路中IGBT的开关状态使异步电机向电网输送功率减少，从而保证直流母线电压的稳定。直流母线稳压控制框图如图3所示。

图3　直流母线稳压控制框图

图3中，Udc_ref为直流母线电压参考值，s为经过控制器后得到的IGBT门极触发信号。

4仿真验证

在MATLAB/Simulink环境下对光伏电源利用直流电机和笼型异步电机并网系统进行建模仿真。设定光伏阵列容量为5.6kW，直流负载为2kW，直流电机选用永磁电机，参数如下：PN=4kW，UN=300V，nN=1500r/min，Ra=0.18Ω，La=0.0036H，CT=2。笼型异步电机参数如下：PN=3.7kW，UN=400V，fN=50Hz，p=2。直流母线电压参考值为500V。光伏阵列初始光照度设定为1000W/m2，在1.5s时光照度变为900W/m2。

电机从静止状态开始起动，当自动装置检测到异步电机转速接近同步速时并网开关合闸。光伏系统并网后，通过调节光伏系统与电网间的输送功率实现直流母线电压的稳定。仿真结果如图4～7所示。

图4　光伏阵列输出功率

由图4可见，光伏阵列经过MPPT控制后在0.2s实现最大功率输出，在1.5s光照度降低后，光伏阵列的输出功率降低并迅速稳定在新的最大功率点运行，MPPT达到了较好的控制效果。

图5　电机转速

由图5可见，电机并网系统在0.2s开始起动，电机转速开始上升，在0.4s时电机转速达到同步速，此时光伏发电系统并网开关合闸，实现光伏系统的并网运行。

图6　异步电机输出有功功率

由图6可见，异步电机在光伏发电系统并网前不发出电能，在0.4s并网开关合闸后，异步电机由电网提供励磁电流，开始发电运行，光伏发电系统开始向电网侧输送功率，在1.5s光伏阵列输出功率降低后，为保证直流母线电压的稳定，异步电机输出功率下降并稳定在新的功率输出运行。

图7　直流母线电压

由图7可见，直流母线经过升压过程后电压稳定在参考值大小，在1.5s光伏阵列输出功率降低后，直流母线电压依然稳定在参考值大小，直流母线电压得到了较好的控制效果。

5结语

针对光伏并网逆变器存在成本高、故障率高、谐波含量大及控制复杂等问题，本文提出了光伏发电系统利用直流-异步电机并网的方案。该并网方案中，由光伏电源为直流电机供电，带动异步电机同轴旋转，完成电机的起动过程，当电机转速接近同步速时并网开关合闸，实现光伏发电系统的并网运行。光伏系统并入电网后，通过调节直流电机的端电压实现对光伏系统向电网侧输送有功功率的控制，保证直流母线电压的稳定。光伏系统采用该方案并网时，对光伏系统侧输送的有功功率调节原理简单，不需要复杂的控制过程，对功率的调节易于实现。仿真结果证实了该方案的正确性和可行性。

【参 考 文 献】

[1]周林，龙崦平，张密，等.带LCL滤波器的单相并网逆变器低频振荡现象分析[J].电力自动化设备，2014，34(1)： 67-79.

[2]林永朋，陶顺，肖湘宁.电压不平衡条件下并网逆变器的直流电压控制[J].电网技术，2015，39(6)： 1643-1649.

[3]杨亮，苏剑，刘海涛，等.单相并网逆变器的直流分量抑制策略[J].电力自动化设备，2015，35(4)： 145-150.

[4]陈堃，陈昌旺，刘涤尘.光伏并网逆变器输出电压直流分量的瞬时补偿策略[J].电网技术，2013，37(11)： 3080-3085.

[5]赵紫龙，周敏，瞿兴鸿，等.基于改进空间矢量脉宽调制的电压源型换流器偶次谐波抑制[J].电力系统自动化，2013，37(8)： 112-122.

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[9]张红莲，刘崇伦.交直流调速控制系统[M].北京： 中国电力出版社，2011.

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Research on Control Method of Photovoltaic Grid

Connected with DC-Asynchronous Motor

SUNYing，ZHANGJiancheng

(Department of Electrical Engineering， North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

Abstract：According to the shortcoming of photovoltaic grid connected inverter with high cost， high failure rate， large harmonic content and complex control， a utility method of photovoltaic grid connected with DC-asynchronous motor was proposed. It consisted of a DC and asynchronous motor coaxial structure， and realized the conversion between DC and AC power. Asynchronous motor completed the starting process driven by DC motor whose power was supplied by photovoltaic and the connection switch would be closed when the motor speed was close to synchronous speed. When connected to grid， the active power output of asynchronous motor could be controled through the adjust of DC motor voltage，which could guarantee the stability of DC bus voltage. Based on MATLAB/Simulink simulation environment， the model of grid connected photovoltaic system with DC-asynchronous motor was build. The simulation results verified the correctness and feasibility of the method.

Key words：photovoltaic grid connected generation； DC motor； squirrel cage asynchronous motor； active power control

收稿日期：2015-08-31

中图分类号：TM 615

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0072- 05

作者简介：孙颖(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为光伏发电与并网技术研究；张建成(1965—)，男，教授，研究方向为新型储能技术和可再生能源发电控制技术研究。

*基金项目：国家自然科学基金项目(51177047)