大功率兴伏发电并网系统的研究

沈阳工程学院新能源学院 王 岩 郭 瑞 王帅杰 王殿明

大功率兴伏发电并网系统的研究

沈阳工程学院新能源学院 王 岩 郭 瑞 王帅杰 王殿明

随着太阳能发电的发展，大功率光伏并网系统的研究成为了技术热点。本文针对传统的光伏并网拓扑结构展开了深入的研究，设计了大功率光伏发电并网系统。在并网硬件方面本文选用了单级式能量变换结构的三相电压型全桥拓扑结构为并网变流器的核心结构，由于该结构只存在DC/AC环节，节约了成本，同时单次能量转换也避免了能量在变换过程的损耗，提高了系统的效率。在软件控制策略方面，本文首先建立了光伏发电的数学模型，其次利用双闭环控制方式对光伏并网系统进行SVPWM的控制，同时针对光伏发电最大功率跟踪问题，本文在传统的爬山法寻优的策略的基础上进行了优化设计，提高了寻优的速度与精度。为了验证本文所提出的理论的正确性，在280kW光伏发电并网试验平台上对所设计的变流器器进行了并网试验，试验结果表明变流器输出满足系统要求，验证了本文设计的正确性和实用性。

光伏发电并网系统拓扑；光伏阵列；并网变流器

1 光伏发电并网系统拓扑

随着太阳能光伏发电的迅速发展,大功率光伏发电并网成为了研究热点。在光伏并网系统(如图1所示)中关键问题存在于两个方面,其一为大功率光伏发电并网系统拓扑结构的研究,选取合适的拓扑结构是设备硬件的基础,重点在于可以安全稳定的运行和减少系统的能量损耗,使光伏发电效率最大化;其二为分布式的MPPT技术即大规模太阳能电池板最大功率跟踪技术。MPPT控制技术主要分为集中式控制和分散式控制,目前集中式控制方式相对比较成熟,也是最为广泛控制技术但针对大功率的光伏电站,集中式控制不能满足系统的控制需要,效率较低,分布式控制技术是未来研究的热点[1]。

图1 光伏发电并网系统结构图

光伏并网变流器作为光伏发电并网的核心器件,其结构及效率决定了光伏并网的效率。本文在针对光伏并网变流器常规拓扑结构深入研究的基础上,选取了三相电压型全桥逆变器,能量变换结构采用单级式变换形式构成光伏发电并网系统的拓扑结构。采用此设计方案的原因为,针对大功率光伏并网变流器损耗成为了影响系统效率的重要因素,此拓扑结构不存在DC/DC直流升压变换环节,系统的能量变换环节只存在DC/AC逆变环节,在硬件的成本和设备体积两个方面都大幅度降低,同时由于只存在一个能量变换环节,系统的器件损耗减少,并网效率提高。同时拓扑结构本身相比于软开关逆变器和三电平逆变器结构简单,更方便与在工程应用中实际推广使用。

2 光伏系统的数学建模

为了更好的对变流器控制策略即太阳能光伏电池最大功率跟踪的研究,本文首先建立了光伏电池数学模型,其数学表达式为:

式中:Ig为光生电流;Isat为二极管反向饱和电流;Io为光伏电池输出电流;Vo为光伏电池输出电压;T 为光伏电池温度;q为电子电荷量;A为常数;Rs为光伏电池等效串联电阻;K为玻尔兹曼常数;Rsh为光伏电池等效并联电阻。通过该数学模型公式我们可以得出一下结论:电池板光生电流和电池板的面积及辐射强度成正比;二极管饱和电流和管件特性有关;光伏电池板的等效并联电阻实际是电池板内部漏电流的等效,经过系统仿真验证该电阻值一般在千欧以上,在控制中可以忽略其影响［2］［3］。

在针对光伏并网变流器的建模方面,由于本文采用的三相电压型整流器结构PWM的控制方式,考虑到最终的控制模式,数学模型经过三相到两相变换,两相静止到两相旋转的坐标系的变换最终表示方式为:

其中Udc为直流母线电压,R为等效滤波电感和开关器件损耗的等效;L2为交流滤波电感,C为直流支撑电容。

3 系统控制策略及算法

3.1 最大功率点跟踪控制

在光伏发电并网系统中,控制策略首先考虑的为太阳能电池板的最大功率跟踪问题,即控制太阳能电池板始终处于最大功率的发电状态。在传统的最大功率跟踪策略中爬山法为经典算法,算法意义为在太阳能池板正常工作时,以电压作为扰动量,输出功率作为观测量,系统不断的进行扰动,以寻求系统的输出最大值。具体控制过程为在某一时刻对系统加载电压增幅的扰动,观测系统输出功率的变化,如果系统输出功率变大,说明此时系统并不处于最优工作点,同时系统的寻优扰动方向正确,系统电压增幅扰动继续,直至系统输出功率不再增大,系统处于最优工作点;同理当加载的增幅电压带来的是系统功率下降,说明系统需要的是降压扰动,寻优过程同理与升压扰动。传统爬山法的寻优策略其优点在于控制策略简单,易于实现,但不断的寻优过程将造成无法避免的功率损失,降低了系统的效率,同时跟踪过程中最初始的寻优时间较长,电压扰动量确定困难,针对以上问题,本文对传统的爬山法进行了以下改进:

(1)采用变步长的扰动策略,在系统编程时设定寻优的最大扰动值和最小扰动值,当系统输出功率与设定相差较大时,采用最大扰动,逐步减小扰动量,提高系统的寻优过程速度。

图2 系统控制原理框图

(2)在功率计算过程中,系统计算采用放大计算方式,从而提高系统的计算精度,系统具体的控制原理框图如图2所示。

3.2 双闭环控制

光伏发电并网系统变流器的控制策略,本文采用双闭环控制方式,即内环电流控制,外环电压控制方式,具体控制原理框图如图3所示[5]。电流内环控制策略为变流器的输出电流与跟定电流比较,电压外环控制为直流母线电压与给定电压比较,比较反馈进入系统,d轴分量控制即为系统的直流电压,q轴分量控制系统的功率因数,针对系统的反馈结果进行PI调节,利用SVPWM的控制方式,控制变流器的开关器件的通断,实现针对变流器的控制方式。

图4 光伏阵列输出特性曲线

4 仿真和试验分析

4.1 光伏阵列输出特性仿真

针对本文所提出的控制策略,在光伏电池板最大功率跟踪方面,利用matlab软件进行了系统功率跟踪精度仿真试验,输入参数为实际光伏池板参数,仿真软件显示I-V、P-V曲线如图4所示,从图中可以得到最大功率Pm=252.1kW,此时电压Um=604.7V,电流Im=417A。如图5所示为经过系统编程本文的控制策略,仿真得出的系统直流电压、电流波形和变流器直流输入功率波形。从图5 (a)中可以得到直流功率Pm为253kW,图(b)为此时电压与电流,证明了本文的控制策略可以快速精确的实现最大功率跟踪。

图5 直流功率和电压、电流波形

4.2 并网变流器输出试验

为了验证本文所采用的拓扑结构和控制策略共同组成的光伏发电并网系统即并网变流器的效率,在280kW光伏并网试验平台上对变流器性能进行了试验验证。试验条件为变流器为56路光伏组串联接入,电池板自然条件无遮挡,15°倾角平铺。图6为系统工作在额定功率时,通道1为交流A相电流波形,通道2为交流B相电流波形,通道3为交流C相电流波形,通道4为直流电压波形。从图中可见直流电压为600V,三相交流电流分别为378A、 380A和376A。在工程应用中变流器的硬件电路存在着器件差异和控制策略等因素,试验结果为三相电流平衡。

图6 直流电压及交流电流波形

在试验中,以A相作为系统谐波影响研究对象,得到并网总谐波电流为9.3A。工程要求谐波电流小于满功率运行时总电流的4%,可见本文所设计的变流器满足系统要求可以作为实际工程应用。

5 结论

本文针对传统的光伏并网拓扑结构展开了深入的研究,设计了大功率光伏发电并网系统。在并网硬件方面本文选用了单级式能量变换结构的三相电压型全桥拓扑结构为并网变流器的核心结构,在软件控制策略方面,首先建立了光伏发电的数学模型,利用双闭环控制方式对光伏并网系统进行SVPWM的控制,同时针对光伏发电最大功率跟踪问题,本文在传统的爬山法寻优的策略的基础上进行了优化设计,提高了寻优的速度与精度。最后通过对280kW的光伏发电并网系统的现场试验,验证了系统性能较好,输出效率较高,满足电网的要求。

［1］吴洪洋.高功率多电平变换器的研究和应用［J］.电气传动,2000,30(2):7-12.

［2］Martin A.Green.太阳能电池工作原理［J］.技术和系统应用,2010(1).

［3］王平.太阳电池测试仪中数学模型的建立［J］.仪器仪表学报,2002(4).

［4］刘志华,康现伟,于克训.SVPWM整流器的三种矢量合成方法及其比较［J］.电气传动自动化,2005,27(2).

［5］许傲然,张柳,刘峰,张翼.Crowbar电路在低电压穿越技术中的研究［J］.沈阳工程学院学报(自然科学版),2014(1):35-37.

本文受沈阳工程学院2014年科研项目（项目编号：LGXS-1401）资助完成。

郭瑞（1977—），沈阳工程学院新能源学院副教授，主要研究方向：电力系统新能源及分布式发电。