单相光伏发电并网的研究

2016-04-14 06:56金爱娟徐艳超李少龙

电子科技 2016年3期

金爱娟,徐艳超,李少龙

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海　200093;2.上海现代光学系统重点实验室,上海　200093)

单相光伏发电并网的研究

金爱娟1,2,徐艳超1,李少龙1,2

(1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;2.上海现代光学系统重点实验室,上海200093)

摘要针对如何提高太阳能光伏发电系统的转化效率,对具有最大功率控制的系统进行研究,提出了一种双环控制方式。并以STM32为控制器,给出了其控制方法。通过Matlab建模设计光伏输出后的控制系统,新的控制系统实现了最大功率跟踪与功率因数校正。仿真表明,该方式具有简单、控制方便、效率高的优点。并通过实物加以验证该方法的可行性,该控制策略可应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制,且实现了系统的高效率并网运行。

关键词单相光伏发电;最大功率点跟踪;双环PID控制;功率因数校正

Grid-connected Single-phase Photovoltaic Power Generation

JIN Aijuan1,2,XU Yanchao1,LI Shaolong1,2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Key Lab of Modern Optical System,Shanghai 200093,China)

AbstractA double loop control method is proposed to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system based on the research of maximum power control system.The control method based on STM32 controller is presented.A photovoltaic output control system capable of maximum power tracking and power factor correction is designed through Matlab modeling.Simulation shows that the proposed method has the advantages of simple structure,convenient control and high efficiency.Its feasibility is verified through the material object.The control strategy can be applied to the single-stage photovoltaic grid system with maximum power point tracking control to realize the efficient parallel operation system.

Keywordssingle phase photovoltaic power generation;MPPT;double loop PID control;PFC

对于光伏发电系统来说,典型的MPPT控制模型主要包括光伏阵列模块、MPPT算法及PWM模块、 DC/DC变换模块[1-3]。MPPT模块主要是控制算法,目前国内外出现的MPPT算法种类繁多,有各自的优缺点,其中扰动观察法(P&O)和增量电导法(INC)因发展成熟、控制简单、精度高而被普遍采用[4],PWM模块输出用以控制后级DC/DC电路。DC/DC变换中Buck和Boost变换器效率是最高的[1],Buck作为降压型实现高压变换为低压,通常光伏阵列输出电压等级较低,若要并网,网侧等级较高,故Buck电路较少用于并网系统。 Boost电路属升压型,可将光伏阵列输出电压抬高,易于实现并网。同时,Boost电路的阻抗变换功能常用于MPPT控制,驱动也相对容易。基于对光伏发电MPPT控制模型的分析,采用双环PID控制 MPPT法,DC/DC变换器采用Boost升压变换器,基于以上模块的分析,研究了基于Boost电路MPPT控制系统,并将其应用于对光伏发电系统的MPPT控制的分析与研究[5-6]。

1最大功率点跟踪原理

最大功率点跟踪(MPPT)就是通过一定的控制方法使光伏电池对外电路输出达到在当前环境条件下的最大功率值。光伏电池输出为直流电能,可将其等效为含有内阻r的直流电源,输出侧接电阻R。由电路原理中的最佳匹配原则,当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出。所以,可通过合理的控制手段,改变外电路的负载特性,以达到和电源内阻的匹配。本文通过DC-DC变换器对输出侧电压的调节作用改变外电路的负载特性。

图1　功率最大原理

利用DC-DC变换器调节直流侧负载特性,如图所示。DC-DC变换器在电路中的作用类似于变压器,通过其的控制作用,可使变换器的输入电压Uin和输出电压Uout成固定的比例关系,假设为n=Uin/Uout,则输出侧电流Iout为输入侧电流Iin的n倍,即n=Iin/Iout,从而有输出侧电阻R的表达式为

(1)

由式(1)可得,光伏电池外电路可等效为电阻Rref,大小为n2R。这样外电路便可简化为只有电阻Rref的纯电阻电路。如果Rref和电池内阻r匹配就可输出最大功率。所以,只需通过DC-DC变换器调整n的大小即可调节外电路负载特性,从而使外电路负载特性与光伏电池内阻匹配。通过对DC-DC变换器的分析可知,n与DC-DC变换器的占空比Dc存在相互对应的函数关系,所以只要调节占空比Dc便可调节负载特性,从而控制光伏电池输出最大功率。

2PFC技术

PF是功率因数校正的缩写,其全称为Power Factor。国际符号为λ,PF的定义为有功功率P和视在功率S的比值[7],公式如下

(2)

式中,P1表示基波做功的功率;S是视在功率。当在输入端加正弦波输入时,除基波做功功率P1外,其他次谐波做功功率为0,则上式简化为

(3)

式中,Vi表示输入电压有效值;I表示输入电流有效值;I1表示输入电流基波分量有效值;φ表示输入电压和输入电流之间的相位角差值。Kd=I1/I表示波形畸变因数;Kα=cosφ表示相移因数。

PFC可使交流输入电流更好地跟随输入电压,使得电流与电压之间的相位差基本不存在,从而大幅提高了电源的功率因数,减小电网的谐波污染,改善供电质量。单级PFC校正则是将PFC变换和DC/DC变换合为一体,复合掉一个功率开关管,利用一个功率开关管和一个控制系统实现对输入电流相位的调整以及输出电压的稳定输出。从而大幅度简化了电路,减少了电路元件并降低了成本复杂度。近年来,单级PFC校正的研究引起了广泛关注。因此,本文采用单级PFC校正。

3设计的总体构想

本设计模拟光伏并网的运行,要实现最大功率跟踪和功率因数校正。当负载电阻等于电源内阻时,电路具有最大功率输出,此时负载两侧的电压是电源两端电压的1/2,所以可对电源电压进行采样,通过改变Boost控制电路开关管的通断,使得负载电压为电源电压的1/2,从而改变负载特性。

对输出电压与电流同样进行采样,通过STM32进行调整使得输出电压与电流同相位,实现了功率因数校正。总体设想框图如图2所示。

图2　总体设想框图

4主电路的设计

用直流稳压电源Ud和电阻RL模拟光伏电池,而逆变器部分将使用电压型单相全桥逆变电路。如图3所示的电压型逆变电路有以下特点:

(1)直流侧为电压源,或并联有大电容,相当于电压源。直流侧电压基本无脉动,直流回路呈现低阻抗;

(2)由于直流电压源的钳位作用,交流侧输出电压波形为矩形波,且与负载阻抗角无关,交流侧输出电流的波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同[8]。

图3　主电路拓扑结构

滤波电容C的作用是和滤波电感一起用来滤除输出电压中的高次谐波,电容C大,则输出纹波小。但电容C增大的同时,逆变器的无功功率也要增加,从而增加了逆变器的电流容量,使系统效率降低。滤波电容的选取原则是在保证输出纹波满足要求的情况下,取值尽量小。

由于逆变器输出调制波形中的高次谐波主要降在滤波电感两端,故增加滤波器电感量可更好地抑制低次谐波、减小输出电流的脉动量。然而滤波电感越大,电感电流的变化则越慢,动态时间越长,波形畸变越严重。故电感值的选取,应综合考虑其稳态与动态性能。选择合适的气息以防止负载时磁芯的饱和问题,且选择粗导线以降低电阻损耗。

5软件的控制设计

系统的搭建是基于STM32为控制芯片。其对输入电压进行采样处理实现最大功率跟踪。对输出电压电流进行采样实现锁频锁相,从而实现功率因数校正。并控制开关管实现电路的保护。当有过压过流现象时,切断电路安全可靠,也可实现电网的分部工作。

图4　最大功率跟踪

图5　锁频锁相

注:flag开始设置0。图6　中断控制

6仿真验证

图7为系统的仿真图,仿真输出电压220 V,频率50 Hz。从图8可看出,输出电压电流波形平滑符合要求,且电压电流同频同相实现了功率因数校正。Boost的输入波形行对稳定为输入电压的1/2实现了最大功率跟踪,验证了本设计的正确性。图10为采样电流与电压电路实现锁频锁相的图形。图11为实物做出的小功率验证图。