光伏并网系统功率解耦控制策略

王文龙

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院,哈尔滨 150030)

0 引 言

当今社会对电力的需求持续增长,电力供应不再受限于传统的火力发电,为减少化石燃料燃烧发电对大气的污染,维持自然环境可持续发展,新能源发电受到大力推广和广泛应用[1]。近年来,光伏发电并网容量增长迅速,对分担电力负荷、促进能源转型、实现碳中和与碳达峰具有重要意义[2]。

光伏发电受光照因素影响,太阳辐射充足时,电能转化性能优越,光照不足时,电力供应随之下降,输出功率具有较强的随机性和波动性[3-5]。随着电力电子技术的快速发展,逆变器在光伏发电系统中的应用愈发普及,其对功率控制具有重要作用。文献[6-8]对光伏发电的功率最小振荡控制方法进行研究,探寻有效的控制方法跟踪光伏发电系统的最大输出功率。

该文采用扰动观察法(perturb and observe, P&O)跟踪光伏转换器的最大功率点,确定升压变换器占空比扰动,分析光伏并网系统电压和电流,解耦控制有功功率和无功功率,通过Matlab/Simulink 软件平台对光伏并网系统进行建模,以验证该控制策略的有效性。

1 光伏并网系统模型

采用Matlab/Simulink软件平台构建光伏并网系统模型,如图1所示。绘制光伏发电系统等值电路,如图2所示。

图1 光伏并网系统模型

图2 光伏电池等值电路

由基尔霍夫电流定律(Kirchhoff's current law, KCL)得

Ipv=Iph-Id-Ishu

(1)

(2)

(3)

式中:Vpv为光伏电池板输出电压;Ipv为光伏电池输出电流;Iph为光生电流;Id为二极管支路电流;Ishu为并联电阻支路电流;Isat为二极管饱和电流;Rser为等效串联电阻;Rshu为等效并联电阻;k为玻尔兹曼常数,k=1.38×10-18J;q为电子电荷,q=1.6×10-19C;t为温度;n为光伏电池PN结曲线常数。

实际工程中,光生电流的计算如下:

Iph=Iph,std[1+k0(Tre-Tstd)]

(4)

(5)

(6)

式中:Tstd为标准环境温度,25 ℃;Estd为标准环境下太阳辐射照度,1 000 W/m2;Tre、Ere分别为实际环境温度和实际太阳辐射照度;Isc,re、Isc,std分别为实际环境温度和标准环境温度下光伏电池短路电流;Iph,std为标准环境温度下的光伏电池输出电流;k0为温差电流系数。

直流转换器的数学建模为

(7)

(8)

(9)

式中:Vdc为直流电压;IL为流过电感电流;Vm为直流转换器两端电压;L、C为电感、电容值。

使用三相逆变器将光伏电池输出的直流电压变换为交流电压,控制系统输出的相电压Van、Vbn、Vcn和线电压Vab、Vbc、Vca计算式如下。

(10)

(11)

通过式(10)、式(11)可得光伏发电系统的输出相电压为

(12)

2 功率解耦控制

在建立光伏发电并网模型的基础上,为优化系统模型的输出功率,对有功功率和无功功率进行解耦控制,采用扰动观察法追踪最大功率点[9]。光伏并网系统功率解耦控制策略具体实施流程如图3所示。

图3 功率解耦控制实施流程图

光伏发电系统的有功功率和无功功率的解耦控制如下:

(13)

式中:Vg,d、Vg,q分别为电网电压的直轴(d轴)和交轴(q轴)分量;Ig,d、Ig,q分别为电网电流的直轴和交轴分量。

令参考坐标系与电网电压同步,Vg,q=0,式(13)可以表示为

(14)

通过电网侧逆变器在控制回路中使用PI调节器,独立控制有功功率Pg和Qg无功功率,参考电流计算如式(15)所示。

(15)

式中:Ig,d,ref、Ig,q,ref分别为电网参考电流的直轴和交轴分量;Kd,P、Kq,P与Kd,I、Kq,I分别为PI调节器的比例参数和积分参数。

3 仿真算例分析

利用Matlab/Simulmink软件平台搭建光伏发电并网模型,光伏装机容量为100 kW,并网电压等级为10 kV,设置控制模块,在图4所示的温度和太阳辐射环境下,对光伏并网系统功率解耦控制策略进行仿真分析。

图4 温度和太阳能辐射变化

当温度从初始值10 ℃上升到标准温度25 ℃后保持稳定,在温度和太阳辐射的共同作用下,采样光伏电池板输出电压和电流,如图5所示。

图5 光伏电池板输出电压和电流

无论温度和太阳辐射的环境条件如何变化,三相逆变器的输入端直流转换器直流电压Vdc的控制保持在直流参考电压Vdc,ref(500 V)附近,如图6所示。

图6 直流转换器直流电压

所提出的策略可以实现电网电压和电流的稳定控制,使幅值和频率保持在一个稳定值,如图7所示。同时,能够解耦控制光伏发电系统的有功功率和无功功率,在确保有功功率有效持续输出的基础上,尽可能地限制无功功率输出,如图8所示。

图7 电网电压和电流

图8 光伏发电系统输出的有功功率和无功功率

4 结 语

提出采用扰动观察法追踪光伏并网系统的最大功率点,实现有功功率和无功功率的解耦控制。仿真算例结果表明,在温度和太阳辐射变化环境下,该策略能够控制光伏系统直流电压与参考值保持一致,持续输出有功功率的同时,最大程度限制无功功率输出,验证了所提策略的有效性。