单 峡,王心谨,彭 辉,季 强
(1.金陵科技学院,南京211169;2.航天材料及工艺研究所,北京100076;3.哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨150001;4.国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙410073)
基于扰动跟踪法的单相两级式光伏并网逆变器研究
单 峡1,王心谨2,彭 辉3,季 强4
(1.金陵科技学院,南京211169;2.航天材料及工艺研究所,北京100076;3.哈尔滨工程大学自动化学院,哈尔滨150001;4.国防科学技术大学航天科学与工程学院,长沙410073)
两级式单相逆变并网装置拥有单独控制、效率高等特点。针对并网光伏系统中的两级单相逆变装置展开研究,此逆变装置两级由Boost直流变换装置与逆变装置组成。Boost直流升压装置实现最大功率点追踪,逆变装置实现并网逆变操作。最大功率点控制采用扰动追踪法,该控制与并网逆变控制彼此独立、互不影响。Matlab实验仿真及实物平台试验均证实了该策略的实用性。
逆变器;两级式;光伏;并网
光能以清洁、来源广泛等优点已成为21世纪最具潜力的能源之一,光伏发电技术也将在电力系统中发挥越来越重要的作用。光伏电力技术划为独立型与并网型。独立型的光伏电力装置多用于偏远地带的用电。并网型的光伏发电技术目前已经形成一套成熟的应用体系,相对于独立型的光伏系统,其成本相对较低,具有理想的实用前景[1]。在并网系统中,单级逆变装置以构造简单而被广泛采用。但是其最大功率跟踪控制和并网控制均在同一控制回路完成,控制较为复杂,而且输出级要使用一个工频变压器,体积较大且笨重[2]。针对以上问题,以3kW的单相两级式光伏并网装置作为研究目标。该系统第一级以Boost电路取代单级式结构中工频变压装置,并完成最大功率点追踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT),后级以单相全桥逆变器实现直流稳压及并网控制。本文对并网系统提出一套具有实用前景的控制方法,同时利用Matlab仿真软件及实物平台对提出的方法策略进行测试。
1.1 并网系统结构
本研究使用的3kW单相光伏并网逆变装置如图1所示,它由Boost直流升压电路和单相逆变器构成。Boost直流变换装置进行升压和MPPT调节,单相逆变装置实现并入电网过程。
该光伏逆变系统的主要特点是能进行自由扩展,各个光伏电池可利用各自的Boost电路和同一个逆变器连接,多个光伏电池通过各自的直流升压装置可完成MPPT调节,互不影响。由于只采用了两级变换,其效率较高。
1.2 系统主要参数计算
(1)输入电感L1
设计Boost电路时,第一步要解决的是输入电源电压波动问题。例如,当电源电压突然降低时,为了稳定住原电压,控制器需要增大占空比D使电压增益变大。而往往在实际的变换器系统中,占空比D会有上限,如果D溢出上限值时,输出的电压会不增反降。通常实际系统中升压电路的占空比Dmax都限制在0.88以下[3]。同时,L1的选择还要满足纹波的要求,计算公式为:
其中,UPV是光伏电池电压输出,本设计中UPV的范围为200V~400V;f是开关频率,取定f=20kHz;ΔI是设计纹波电流,令ΔI=3A。计算得:L1=2.93mH,综合考虑取为3mH。
(2)直流输出电容C2
设计输出直流电压纹波为ΔV,本设计中取2V,可得:
由上述等式可以得到C2的计算公式为:
其中,ΔQ为电荷变化量,I0为输出电流,其最大值经计算约为13.6A,T为开关周期。经过计算得:C2=200μF。实际中,为更好地抑制纹波电压及考虑其储能作用选为2200μF/600V。
(3)滤波电感L2
取滤波电感电流脉动最大为ΔImax,根据工程经验,ΔImax取满功率状态下额定电流的10%,即1.36A。计算公式为:
则可得滤波电感L2的计算公式为:
其中,VDC是逆变电路前端电容C2电压,取定400V,选择所用电力器件工作频率fs=20kHz。经过计算得:L2=1.83mH,实际中取为3mH。
(4)滤波电容C3
滤波电容的选择首先要考虑输出滤波器对高频谐波的抑制能力,通常滤波器时间常数取为5~10倍高频脉冲周期[4],这里取10倍,即:
所以可得:
经计算得:C3=2.11μF,考虑到L、C的时间常数增大有利于对输出的高频分量的抑制,故实际中取为10μF。
根据光伏阵列工作的非线性的性质,处于稳定环境状态时,往往拥有独一的输出功率上限值,此时输出功率最大。若环境改变,例如温度和光照发生波动,其输出功率极大值也相应发生改变[5]。
图2 扰动跟踪流程图Fig.2 Flowchart of perturb and observe algorithms
目前,MPPT主要分为定电压法、扰动跟踪法、电导增量法等。其中,扰动跟踪法以实现简单及跟踪效果较好而被广泛采用,本文基于此方法进行设计。
扰动跟踪法原理为:取定一个增量ΔD,对Boost升压装置的占空比D添加增量,然后根据检测输出电压与输出电流信息计算输出功率,再同上一拍的功率相减。结果为正,则说明D的变化方向正确,继续同向增大D;结果为负,增量取负,反向改变D的大小[6],跟踪流程如图2所示。
逆变并网调节按照对象能划为输出电压调节和输出电流调节。采用输出电压控制方式实施并网操作时,要严格要求逆变器输出电压同电网电压幅值、频率与相位相同,否则将会形成较大的环流,对系统造成严重的冲击。所以,光伏并网发电装置更多选择输出电流型控制方法[7]。在并入电网操作时使用电流控制方式,同前者相比仅满足输出电流与电网电压的频率相位相同便可,因此大大降低了整个系统并入电网的难度。逆变并网系统框图如图3所示。
图3 逆变器并网控制框图Fig.3 Control block diagram of grid-connected inverter
图3所示的是电压外环参考电压,VDC是逆变桥输入端电压,即电容C2两端的实际电压采样值,RL代表滤波电感的绕组电阻,RL=0.5Ω,Gv(s)为电压环的PI控制器,Go(s)是锁相环获得的与网侧电压频率相位一致的单位正弦信号,Gi(s)表示电流环PI控制器,UN(s)代表电网电压,G3(s)代表电网电压前馈系数,G1(s)代表逆变桥传递函数,G2(s)代表滤波器的传递函数。
3.1 电流内环设计
按照图3的框图,在不计电流环PI控制器情况下,电流内环的开环传函可写成:
由控制理论可知2阶系统品质最佳的开环传函[8]为:
构建系统电流闭环的最终目的就是让闭环系统的传递函数能够尽可能地符合式(9),令PI调节器的传递函数为:
考虑到PI环节需要消除逆变环节较大的时间常数,可设定:
于是得到电流环的开环传递函数为:
比较式(9)和式(12)可得:
经过计算得:KP=0.2,KI=22。
3.2 电压外环设计
闭环系统的电压外环调节的主要任务为跟踪逆变桥输入端电压。设定外环直流参考信号,同时采集Boost电力装置的输出电压,将两者进行比较。内环给定则来自于PI控制器的输出和单位同步锁相信号的乘积。整个电压环控制是根据逆变器输入侧电容C2来完成的。其物理解释为:当检测电压低于给定电压时,系统对电容充电,表现为后级逆变环节的输出电流减小;而检测电压高于给定时,电容向外放电,表现为后级逆变环节的输出电流变大。
对于电压外环PI参数的设计,由于系统的传递函数形式比较复杂,可借助Matlab仿真软件进行仿真分析,通过仿真结果最终确定电压外环的PI参数。
3.3 电网电压前馈补偿控制
若忽略电网电压前馈调节,按照图3能得到:
展开得:
由式(15)可以看出,网侧电压对并网电流有一个扰动UN(s)G2(s)。因此,需要引入一个网侧电压前馈补偿,引入该补偿,可以对系统的传函进行有目的的修正,用来抑制网侧电压对并网电流的干扰。加入电网电压前馈补偿后有:
设G3(s)=1/G1(s)是前馈的补偿系数,根据式(16)可以看出,理想情况下网侧电压形成的干扰将减小为0。这样就可以保证逆变装置的输出电流不受网侧电压影响,从而最大程度地保证逆变装置输出电流质量。
4.1 仿真验证
为了检验所提出的单相光伏并网控制方法效果,在Matlab平台上搭建了系统的控制模型。为了简化仿真模型,光伏电池模型采用通用模型[9]搭建,电网电压uN=220V,V∗DC=400V,L1=3mH,C1=100μF,C2=2200μF,L2=3mH,C3=10μF。电流内环参数为:KP=0.2,KI=22,前馈系数为0.005;电压外环参数为:KP=1,KI=10,逆变并网系统光强零时刻取为1300W/m2,设计1s后光强达到1000W/m2。系统的最大功率追踪及并网仿真波形如图4所示。
图4 最大功率跟踪及并网仿真波形图Fig.4 Simulation waveforms of MPPT and grid-connected
从图4中能够得到,光强改变前光电池输出的最大功率达到了3200W,逆变器并网电流io峰值大致达到了20A;光强改变后光伏电池的输出功率变为2600W,逆变器并网电流io峰值变为16A,经过大约1个周期系统达到了稳定,整个过程中装置输出电流与电网电压做到了相频同步。
4.2 实验验证
依照本文提出的方法,设计了单相光伏并网逆变的实物装置。样机采用意法半导体公司生产的STM32F103ZET6型ARM控制器,整个系统参数依据文中的计算方法进行设计。单相光伏并网逆变装置输出波形如图5所示。从图5可以看出,实物装置输出电流与电网电压相频一致,验证了本设计的有效性。
图5 实验波形图Fig.5 The experimental waveforms
本文研究出一种单相两级式光伏并网系统的设计方法。系统的最大功率追踪控制使用了功率扰动追踪法,并网控制采用输出电流控制。依据设计的控制策略搭建了系统的仿真模型和实验样机。仿真与实物实验结论共同验证了设计的可靠性。但仿真中的光伏阵列采用的是软件给定模型数据,无法得到准确光伏阵列的输出性质,尚需进一步改进。此外,系统的实验样机输出电流波形仍有些畸变,需反复调试实验参数进行进一步优化。
[1]张峥,南海鹏,余向阳,等.基于Matlab/Simulink的两级式光伏并网系统仿真分析[J].可再生能源源,2010,28(1):81-84.ZHANG Zheng,NAN Hai-peng,YU Xiang-yang,et al.Simulation analysis of two-stage photovoltaic grid-connected system based on Matlab/Simulink[J].Renewable Energy Sources,2010,28(1):81-84.
[2]施凯敏.单相光伏并网逆变器研究[D].哈尔滨工业大学,2011.SHI Kai-min.Research on single-phase photovoltaic gridconnected inverter[D].Harbin Institute of Technology,2011.
[3]梁雪峰,曾国宏,姜久春.3kW光伏并网逆变器硬件设计[J].电力电子技术,2008,42(8):28-29+78.LIANG Xue-feng,ZENG Guo-hong,JIANG Jiu-chun.Hardware design of 3kW photovoltaic grid-connected inverter[J].Power Electronics Technology,2008,42(8):28-29+78.
[4]王章权.1KW光伏并网发电系统的实现[D].浙江大学,2006.WANG Zhang-quan.Implementation of 1KW photovoltaic grid-connected power generation system[D].Zhejiang University,2006.
[5]程军照,吴夕科,李澍森,等.采用Boost的两级式光伏发电并网逆变系统[J].高电压技术,2009,35(8):2048-2052.CHENG Jun-zhao,WU Xi-ke,LI Shu-sen,et al.The two-stage photovoltaic power generation grid-connected inverter system using boost[J].High Voltage Technology,2009,35(8):2048-2051.
[6]Shanthi T,Gounden N A.Power electronic interface for grid-connected PV array using boost converter and linecommutated inverter with MPPT[C].IEEE International Conference on Intelligent and Advanced Systems,2007:882-885.
[7]Liang Z G,Alesi L,Zhou X H.Digital controller design for PV inverter with model based technique[C].IEEE Energy Conversion Congress&Exposition,2010:2950-2955.
[8]Karimi-Ghartemani M,Khajehoddin S A,Jain K,et al.A systematic approach to DC-bus control design in single-phase grid-connected renewable converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(7):3158-3166.
[9]茆美琴,余世杰,苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J].系统仿真学报,2005,17(5):1248-1251.MAOMei-qin,YUShi-jie,SUJian-hui.General simulation model of photovoltaic array with function of MPPT[J].Journal of System Simulation,2005,17(5):1248-1251.
Research on Single Phase Two-level Grid-connected Photovoltaic Inverter
SHAN Xia1,WANG Xin-jin2,PENG Hui3,JI Qiang4
(1.Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169;2.Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology,Beijing 100076;3.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001;4.Aerospace and Materials Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073)
Inverter was the core of grid-connected photovoltaic system.The two-level structure had the advantage of separate control and high efficiency.A grid-connected photovoltaic inverter system was mainly researched,the system was composed of a Boost DC/DC chopper in series with an inverter.By the Boost DC/DC chopper,maximum power point tracking was achieved,with the inverter,grid-connected control was realized.The maximum power point tracking and the control of the grid-connected were independent from each other which made the photovoltaic system more flexible and reliable.With theoretical analysis,the control method was established,results of simulation and experiment proved the effectiveness of the program.
inverter;two-level;photovoltaic;grid-connected
TM464
A
1674-5558(2017)03-01395
10.3969/j.issn.1674-5558.2017.03.010
单峡,女,硕士,应用电子专业,讲师,研究方向为电力电子及集成电路、电力电子应用技术。
2017-04-18