单级光伏并网发电系统研究

赵春柳，孙成正

安徽财贸职业学院云桂信息学院，合肥，230601

单级光伏并网发电系统研究

赵春柳，孙成正

安徽财贸职业学院云桂信息学院，合肥，230601

针对太阳能光伏并网逆变器普遍采用的两级式拓扑结构存在控制算法复杂，效率相对较低的缺点，提出了单级式光伏三相电压型并网逆变器拓扑结构，系统MPPT跟踪采用定步长扰动观测法，采用基于电网电压定向的同步旋转坐标系的矢量控制，可实现并网逆变器的有功功率和无功功率的独立控制。通过PSIM建模仿真，结果表明：扰动观测法MPPT以及基于电网电压定向的三相并网逆变器矢量控制的有效性，并且具有控制算法简单、系统效率高的优点。

MPPT；扰动观测；电网电压定向；逆变器

1 问题的提出

随着化石能源的逐渐枯竭，发展可再生能源已成为解决世界能源问题的重要途径。考虑到能源利用中的环境因素和开发潜力，太阳能成为诸多可再生能源中最具发展前景的能源之一。

太阳能光伏发电有离网型和并网型两种，在并网型光伏发电系统中，以最大功率点跟踪技术(Maximum Power Point Tracking，MPPT)和逆变器并网控制技术为核心。目前，通用的光伏并网逆变器采用Boost变换器与三相电压型逆变器的两级结构，为增大逆变器的功率或增强输入直流电压的适应范围，往往采用两路或多路互补的Boost变换器以及在Boost变换器基本结构的基础上增加旁路二极管[1-3]。这种两级式拓扑结构虽然具有直流输入电压范围广、可控中间直流换电压、并网电流谐波含量少等优点，但由于将并网逆变与MPPT独立控制以及多路Boost互补变换器的结构，使得控制算法复杂。

本文提出光伏并网逆变器的单级式结构，其中逆变器在实现并网功能的同时可对光伏阵列进行MPPT跟踪，以扰动观测法(Perturbation and Observation method，P&O)MPPT算法，以基于电网电压矢量定向(Voltage Oriet Vector Control，VOC)的矢量控制为基础，讨论单级式三相光伏并网逆变器的控制策略。

2 单级式三相光伏并网逆变器的结构

单级式三相光伏并网逆变器的拓扑结构如图1所示，逆变器结构为电压型三相全桥结构，逆变器通过电感与电网耦合[1-3]。

3 最大功率点跟踪技术

最大功率点跟踪(MPPT)技术是高效光伏发电系统的关键技术之一，提高MPPT技术是光伏发电逆变器应用过程中的重点和难点。

图1 单级式三相光伏并网逆变器的拓扑结构

目前，MPPT技术有开环和闭环两大类[3-6]。开环MPPT基于太阳能电池板的输出特性主要有定电压跟踪法(ConstantVoltageTracking，CVT)和短路电流比例系数法，闭环MPPT主要有扰动观测法和电导增量法(IncrementalConductance，INC)。开环MPPT由于基于太阳能电池板的输出特性，控制精度受外界环境如辐照度，尤其温度的影响较大。P&O、INC由于采用闭环控制，基本克服了温度的影响，但是P&O存在工作点在最大功率点附近振荡的缺点；INC对控制器的电压初始化参数优化选择的问题，若参数设置不当，可能会产生较大的功率损失。

本文采用定步长的扰动观测法(P&O)实现MPPT跟踪，其算法流程如图2所示。

图2 扰动观测法的流程图

4 基于电网电压定向的矢量控制

4.1 同步坐标系下单级式并网逆变器的数学模型

图1所示的单级式并网逆变器可简化为如图3的结构[3]。

在三相静止abc坐标系下，并网逆变器的电压方程为：

(1)

(2)

图3 单级式三相光伏并网简化主电路图

(3)

在零初始状态下，对式(3)进行拉氏变换，可得到在同步旋转dq坐标系下并网逆变器频域的数学模型

图4 系统在同步坐标系下的模型

(4)

与式(4)相对应的模型结构如图4所示[7]。

在dq坐标系中，并网逆变器的数学模型在d、q轴间存在耦合，常采用前馈解耦策略，解耦后的模型结构如图5所示。

图5 前馈解耦原理

4.2 基于电网电压矢量定向的逆变器矢量控制

若同步旋转坐标系与电网电压矢量E同步旋转，且同步旋转坐标系的d轴与电网电压矢量E重合，则称该同步旋转坐标系为基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系。而基于电网电压定向的并网逆变器输出电流矢量图如图6所示。

图6 电网电压定向矢量控制(VOC)系统矢量图

(5)

由于基于电网电压定向，eq=0，则式(5)可简化为：

(6)

若不考虑电网电压的波动，即ed为一定值，且不考虑逆变器的损耗，由式(6)表示的并网逆变器的瞬时有功功率p和无功功率q仅与并网逆变器输出电流的d、q轴分量id、iq成正比。如果电网电压不变，则通过id、iq的控制就可以分别控制并网逆变器的有功功率、无功功率。

基于电网电压定向的并网逆变器的控制结构图如图7所示。

图7 基于电网电压定向的矢量控制系统示意图

5 仿真分析

图8 PSIM中DLL模块

单级式三相光伏并网逆变器仿真时，主要分析扰动观测法MPPT以及基于电网电压定向的并网逆变器的控制策略的有效性，直流侧电容、交流侧耦合电感、开关管(IGBT)均采用理想器件模型，且参数选择电容为2200μF、电感为10mH。其他参数分别为：仿真步长10-5s，IGBT开关频率为10kHz，采样频率为2kHz，P&O电压扰动步长为0.05V。仿真设定环境温度为25℃，0～3.5s间太阳辐照度为1000W/m2，3.5s时降为600W/m2，通过太阳辐照度的改变来验证P&O的MPPT技术的有效性。

P&O算法借助VisualC++编程生成的动态链接库文件及PSIM的DLL模块实现，PSIM的DLL模块如图8所示。

图9为在太阳辐照度变化时，光伏逆变器输出功率跟随太阳能电池板最大功率点的波形图，由图9可以看出，P&O可以高效地跟踪太阳能电池板的最大功率点。

图10为在太阳辐照度由1000W/m2降为600W/m2时，逆变器网测输出电流与电网电压波形图。从图10可以看出，当太阳辐照度发生变化时，逆变器输出电流能快速改变网测电流，调整逆变器的输出功率，跟随太阳能电池板的最大功率；同时逆变器可实现单位功率因数状态运行。

图9 太阳辐照度变化时P&O跟踪太阳能电池板最大功率波形图

图10 逆变器网测输出电流与电网电压波形图

6 结 语

本文以单级式三相光伏逆变器结构为基础，讨论了P&O的MPPT技术的实现方法及基于电网电压矢量定向的逆变器的矢量控制策略。通过仿真验证了其可行性，对光伏逆变器的设计具有一定的参考价值。

单级式三相光伏并网逆变器结构由于没有DC-DC变换中间环节，具有控制策略相对简单、变换效率高等优点，但也具有一些缺点：将并网逆变控制与MPPT算法结合在一起，存在直流侧电压在MPPT跟踪过程中出现波动，造成逆变器并网电流谐波含量相对较高；由于采用电感与电网耦合，不能实现PV与电网的隔离。本文MPPT算法只采用基本的定步长的P&O法，会出现MPPT控制振荡现象，今后应在MPPT算法方面进行优化，减小MPPT振荡，提高跟踪效率，加强适应于阴影遮蔽下的MPPT算法的研究。

[1]ChenY,SmedleyKM.Acost-effectivesingle-stageinverterwithmaximumpowerpointtracking[J].IEEETransPowerElectron,2004,19(5):1289-1294

[2]张崇巍,张兴.PWM整流器器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003:62-68

[3]张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社, 2011:113-116

[4]FemiaN,PetroneG,SpagnuoloG,AlE.Optimizationofperturbandobservemaximumpowerpointtrackingmethod[J].IEEETransactiononPowerElectronics,2005,20(4):963-973

[5]HusseinKH,MotaI.Maximumphotovoltaicpowertracking:Analgorithmforrapidlychangingatmosphericconditions[J].GenerationTransmissionandDistributionIEEEProceedings,1995,142(1):59-64

[6]周林,武剑,栗秋华,等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术,2008,34(6):1145-1154

[7]ZmoodDN,HolmesDG,BodeGH.Frequency-DomainAnalysisofThree-PhaseLinearCurrentRegulators[J].IEEETransactionsonindustryapplication.2001,37(2):601-610

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.029

2016-11-12

安徽省教育厅高等学校自然科学基金重点项目“基于局部影音遮蔽下光伏阵列及多峰值MPPT算法研究”(KJ2014A007)。

赵春柳(1979-)，安徽怀远人，硕士，副教授，研究方向：可再生能源及分布式发电。

TM464，TM615

A

1673-2006(2017)01-0108-04