两级式三相光伏并网系统分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024)



两级式三相光伏并网系统分析

付 雪,秦文萍,李冠良

(太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024)

基于两级式三相光伏并网发电系统拓扑结构,提出一种最大功率跟踪控制策略。该控制策略采用电导增量法与比例积分控制(INC-PI)相结合的方式,实现光伏阵列的最大功率点运行；并网逆变器采用基于电网电压前馈的双闭环控制策略，实现稳定直流电压及单位功率因数并网。利用Matlab/Simlink搭建5 kW两级式三相光伏并网模型,分别针对光照变化及光照恒定两种情况进行仿真分析,验证该方法的可行性,并通过实验验证所提MPPT策略的正确性。结果表明,该方法能够准确地实现最大功率点跟踪,并网逆变器可以实现稳定直流电压及单位功率因数并网的功能。

两级式三相光伏;电导增量法;PI控制;并网逆变器

近年来,由于环境污染,温室效应等问题日益严重,清洁能源作为一种非常有潜力的新能源受到很大关注。光伏发电系统是清洁能源的典型应用,因其可以有效减少二氧化碳排放以及化石能源的消耗已成为学术界的研究热点[1-2]。光伏发电系统分为独立发电系统和并网发电系统两种结构,并网发电系统是当前光伏研究的主要方向。按照拓扑结构可分为单极式光伏发电系统和两极式光伏发电系统,单极式光伏发电系统结构简单,但在逆变器控制中既要实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)功能又要实现单位功率因数并网功能,控制结构复杂[3-4],不利于调试;两极式光伏发电系统采用前级Boost电路后级逆变电路结构实现MPPT和单位功率因数并网控制分离,使得控制结构简单,易于模块化实现。目前,大部分的两级式并网研究多集中在单相并网[5-6],对于三相并网的研究还比较少[7-8]。本文基于两极式三相光伏并网发电拓扑结构,提出将电导增量法与比例积分调节相结合的方法(INC-PI)实现光伏最大功率点跟踪;并网逆变器采用电压外环电流内环控制策略实现稳定直流侧电压和交流侧单位功率因数并网的功能,并通过仿真验证所设计的两极式三相光伏并网发电系统的正确性和可行性,实验验证所提出的MPPT的正确性。

1 两级式三相光伏并网系统组成

两级式三相光伏并网系统由光伏阵列(PV array)、光伏出口电容(Cpv)、Boost升压电路、直流母线电容(Cdc)、电压源变换器(voltage source convert,VSC)、滤波电感、工频变压器以及公共电网组成,如图1所示。Boost电路采用电导增量法与PI控制相结合的方法(INC-PI)实现光伏最大功率点跟踪(MPPT)和升压功能;电压源变换器(VSC)采用电压外环电流内环的双闭环控制,采集直流侧电压,逆变侧电流实现稳定直流侧电压和并网逆变功能,工频变压器抑制逆变侧直流分量并实现升压并网。

图1 两级式三相光伏并网系统拓扑结构Fig.1 Double-stage three-phase grid-connected PV system topological structure

2 最大功率点跟踪策略

光伏阵列的输出电压和电流受到光照强度和温度等因素影响呈现非线性特征,因此,光伏阵列的输出功率会随着光照强度和温度变化而变化[7]。但是,在一定温度和光照强度下,光伏阵列的输出功率只有一个最大点 (maximum power point，MPP).[3]

常见的最大功率点跟踪控制策略有定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法(P&O)[9-10]、电导增量法(INC)[11]和模糊控制[12]等。其中,电导增量法由于其控制精准,且不易出现误判受到广泛的研究。

图2 光伏板P-U曲线Fig.2 P-U curve of photovoltaic panels

在一定光照强度和温度下,光伏阵列只有一个MPP,且由如图2的P-U曲线可知,在最大功率点处有

(1)

又

(2)

从而有

(3)

若U≠0,则

(4)

式中:P为光伏系统输出功率;U为光伏出口处电压;I为光伏出口处电流。式(4)即在最大功率点所满足的电导增量形式条件。

图3 MPPT控制示意图Fig.3 Control schematic of MPPT

3 并网逆变器控制策略

图4 并网逆变器控制示意图Fig.4 Control schematic of grid-connected inverter

光伏并网逆变器的控制目标是要实现直流侧电压稳定和交流侧电流与电网电压的同频同相功能,因此,采用电压外环和电流内环控制策略,如图4所示。Ua，Ub，Uc分别为三相电网电压瞬时值,Ea，Eb，Ec分别为逆变器交流侧出口电压,Ia，Ib，Ic分别为三相电流瞬时值,Udc为直流侧电压,Vd，Vq分别为旋转坐标系下三相电网电压的有功分量和无功分量,Id，Iq分别为旋转坐标系下三相电流的有功分量和无功分量,L为交流侧滤波电感。在静止坐标系下,根据逆变器两侧电路参数可知,

(5)

定义开关函数为:

则,逆变器交流侧出口电压

(6)

式中，Sa，Sb，Sc分别为abc三相对应的开关函数。

采用abc/dq变换,将电网侧的Uabc和Iabc变为Vd，Vq和Id，Iq,由交流变为直流,将电网电压和电流分解为有功分量和无功分量。设Sd，Sq为旋转坐标系下的单级性二值逻辑开关函数,Ed，Eq为旋转坐标系下逆变器出口侧电压,则

(7)

逆变器在旋转坐标系下数学模型如式(8)。

(8)

式中,ω为系统角频率。从式(8)中可以看出存在耦合项,因此为分别控制有功分量和无功分量,在电流控制环中添加解耦控制并采用电网电压前馈环节抑制电网波动影响,如图5所示。

经过上述分析可知,通过Boost升压电路得到的直流电压进入电压外环控制使得电压稳定在一定范围内,防止出现直流电压崩溃现象,同时得到电流有功分量参考值。将电流无功参考值赋值为0实现最大有功功率传输及与电网同频同相。电流的有功和无功偏差经过电流内环得到调制波信号进入SPWM单元产生触发脉冲。

图5 电流控制环Fig.5 Current control link

4 系统仿真与分析

根据上述分析,在Matlab/Simulink R2013a中搭建5 kW光伏并网发电仿真模型,如图6所示。环境温度设定为25 ℃,光照强度为1 000 W/m2;Boost电路电感为7 mH,光伏出口电容为100 μF,直流侧稳压电容为4 700 μF,直流侧电压参考值为500 V,交流侧线电压有效值为270 V,电网电压为25 kV,频率为50 Hz, 工频变压器滤除交流侧直流分量,滤波电感为7 mH.

下面就光照恒定和光照突变两种情况,对两级式三相光伏并网发电系统分别进行仿真分析。

图6 两级式三相光伏并网仿真图Fig.6 Simulation chart of two-stage three-phase photovoltaic grid-connected system

4.1 光照恒定

图7 逆变侧电流和电网电压波形Fig.7 Waveform of inverter current and grid voltage

图8 逆变侧电流THDFig.8 Inverter current’s THD

图9 光伏出口侧电压、电流及输出功率波形Fig.9 Waveform of voltage,current and power in the export of photovoltaic arrays

图10 直流侧电压Fig.10 The DC voltage

在光照为1 000 W/m2恒定不变的情况下,对系统进行仿真分析。图7和图8表明在光照恒定时,并网侧电流与电网电压基本做到同相位,即实现单位功率因数并网,且电流谐波畸变率小于5%,满足并网要求。从图8可以看到Boost电路控制从0.05 s开始启动,在0.3 s内追踪到最大功率点并保持恒定，由此实现MPPT功能,验证了所提出的INC-PI控制策略的正确性和可行性。图9表明直流侧电压只在启动阶段Boost电路追踪最大功率点的时间内有波动,当已经达到最大功率传输后,直流侧电压能够保持恒定如图10所示,证明并网逆变器能够稳定直流侧电压。

4.2 光照变化

如图11所示,光照辐射强度在0.5 s时从1 000 W/m2突变到500 W/m2;1.5 s时从500 W/m2突变到1 000 W/m2.逆变侧的电压电流、直流侧电压变化如图12,图13所示。

图11 光照强度Fig.11 Radianc intensity

图12 逆变侧电流和电网电压波形Fig.12 Waveform of voltage and current of inverter

图13 直流侧电压Fig.13 The DC voltage

从图12，13可看出,在光照强度突变时,导致传输功率发生变化,从而逆变侧电流发生变化,直流侧电压在突变时产生波动,经过0.2 s时间后系统稳定维持直流母线电压恒定。

5 实验验证与分析

为进一步验证本文所提出的MPPT控制策略的正确性,搭建光伏并网实验系统。光伏电源采用美国安捷伦E4360A光伏阵列模拟器,主电路拓扑如图1所示,控制器采用dSPACE-DS1006，采用开关频率为10 kHz,电感为7 mH,电路电容都为470 μF,电阻为10.2 Ω.太阳光照强度为1 000 W/m2,温度为25 ℃.实验采用不同光伏组件参数验证所提出的MPPT策略的正确性,其中,Um表示最佳工作电压,Im表示最佳工作电流,Uoc表示开路电压,Isc表示短路电流。

实验条件1:Um=21 V,Im=5 A,Uoc=25.6 V,Isc=5.48 A.

实验结果如图14所示。VOL代表光伏出口电压Upv,CUR代表光伏出口电流Ipv,POW代表光伏输出功率Ppv,由于光伏出口处接有保护二极管,因此,在二极管上会产生0.7 V的电压,Upv在20 V左右波动,Ipv在5 A左右波动,Ppv为通过示波器计算得到的输出功率值,可以看出此控制策略可以达到最大功率点。

图14 实验1波形Fig.14 Waveforms of experiment 1

实验条件2:Um=29.5 V,Im=7.97 A,Uoc=37 V,Isc=8.54 A .

实验结果如图15所示。光伏出口电压Upv在28.5 V左右波动,光伏出口电流Ipv在7.97 A左右波动,输出功率Ppv通过示波器计算得到实际值。通过实验可以看出光伏系统利用所提出的MPPT策略在实验条件2时也能够追踪到最大功率点,从而,验证所提出的MPPT控制策略在不同条件下都可以追踪到最大功率点。

图15 实验2波形Fig.15 Waveforms of experiment 2

6 结论

在电导增量法的基础上提出电导增量法与比例积分控制(INC-PI)相结合的控制策略,利用PI控制的无静差调节特性实现MPPT,并将其应用于三相两级式光伏并网发电系统中,通过建立5 kW两级式三相光伏并网系统仿真模型,验证在光照稳定和光照突变两种条件下INC-PI的MPPT控制的稳定性和可靠性及光伏并网系统稳定运行,并通过实验验证了在不同光伏组件参数条件下,MPPT控制策略的正确性。

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(编辑：刘笑达)

Analysis of Double-stage Three-phase Photovoltaic Grid-connected System

FU Xue,QIN Wenping,LI Guanliang

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

A kind of control strategy based on double-stage three-phase grid-connected PV system topology is proposed to optimize the maximum power point tracking.The control strategy combines incremental conductance method with proportional-integral controller (INC-PI) to enhance the stability of system.The grid-connected inverter adopes double loop control strategy based on feedforward of grid voltage to stabilize DC voltage and realize unity power factor.A simulation model of 5 kW two-stage three-phase photovoltaic grid connected system is established in Matlab/Simulink environment and analyzed in the cases of illumination variation and constant light to verify the feasibility of the method. The correctness of proposed MPPT strategy is verified by experiment. The results show that this method can achieve the maximum power point tracking accurately, and inverter can stabilize DC voltage and realize unity power factor.

double-stage three-phase;incremental conductance;proportional-integral controller;grid-connected inverter

1007-9432(2016)03-0361-06

2015-10-24

山西省煤基重点科技攻关项目:大规模间歇式新能源并网技术开发(MD2014-06); 山西省留学人员科技活动择优资助项目

付雪(1990-),男,河北赵县人，硕士研究生,主要从事新能源并网发电技术研究，(E-mail)kaxikou1990@163.com

秦文萍，教授，主要从事新能源研究，(E-mail)qinwenping@tyut.edu.cn

TM464,TM615,TM914

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.016