基于光伏并网的功率控制算法研究

王 鹏

(甘肃交通职业技术学院信息工程系,甘肃 兰州 730050)

0 引言

近年来,光伏发电受到越来越多企业的关注,作为一种可解决能源危机和减少公共环境污染的有效能源,开始得到了大力发展。光伏并网发电系统通过光伏并网逆变器接入电网,实现了光伏并网发电的功能。光伏发电具有间歇性和容量利用率低的问题。但是光伏并网发电系统与有源电力滤波器(active power filter,APF)拓扑结构和控制方法(电流控制)相似,可以进行统一控制,即光伏并网功率控制系统。在光照充足时,光伏并网系统不仅给本地区供电,并且把多余的电能送入电网。但在电网电能比较差的地区(电网中存在大量的无功和谐波),为了提高这一区域的电能质量,光伏并网功率系统能够在进行并网发电的情况下补偿电网中的谐波和无功。这样既减少了APF设备的投资成本,又能有效解决并网逆变器利用率较低的问题。

在光伏并网功率控制系统中实现光伏并网与APF的双重功能,关键是电流给定信号的合成与电流信号的跟踪控制。文献[1]采用给定信号直接合成的方法,但是没有考虑系统的容限问题。文献[2]提出一种负载辨识信号合成的方法。该方法首先判断负载是重负载还是轻负载,通过判断负载的性质来执行不同的信号合成算法。这种方法执行比较复杂,影响程序执行的效率。本文提出一种新的电流信号合成算法,能够根据外界环境调整给定信号,达到切换工作状态的目的。在电流控制环节加入功率前馈,使直流端功率输入有较大变化时,逆变器能够及时调整输出功率,减小因母线电压的堆积或者不足而引起的电压波动[3]。

1 光伏并网功率系统结构原理

光伏并网功率控制系统结构如图1 所示。其控制结构主要由三个部分组成:光伏电池板模块、DC/DC升压电路和逆变器。光伏电池的最大功率点跟踪算法(maximum power point tracking,MPPT)通过检测光伏电池的输出电压Uin和Iin判断光伏电池最大功率点,用脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)控制算法控制DC/DC 变换器的占空比来实现光伏电池最大功率点的跟踪。其中:Cin为光伏电池输出端口电容;Cdc为直流母线稳压电容。在后级网侧控制器中,将直流母线电压值与直流母线电压给定差值进行比例积分(proportional integral,PI)控制算法比较,得到光伏并网电流给定值、基于瞬时无功理论的d-q谐波及无功电流检测法检测出谐波给定信号,以及无功给定信号。电流信号合成算法将光伏并网电流给定值谐波给定信号和无功给定信号通过运算得到合成电流信号给定值,再通过电流跟踪控制算法和正弦波脉宽调制(sine wave pulse width modulation,SVPWM)算法对给定电流信号进行跟踪控制,实现系统的并网和谐波无功补偿功能[4]。

图1 光伏并网功率控制系统结构图Fig.1 Structure diagram of the photovoltaic grid power control system

两级式光伏并网功率控制系统中的升压电路的控制比单级式控制结构更灵活。前级DC/DC 变换器环节与后级逆变器环节由独立的算法进行控制,所以系统前后级间耦合不是很紧密,系统控制易于实现和设计。另外,采用有前级DC/DC 变换器的两级光伏并网功率控制系统,可保证系统在光伏电池阵列输出电压尽可能宽的条件下工作,提高了系统中能量的利用效率[5]。

2 谐波、无功电流检测与并网给定电流信号的合成

光伏并网功率控制系统既能够进行光伏并网,又能完成谐波和无功补偿。这是因为系统控制电流给定信号中包含并网电流给定信号分量、谐波电流给定信号分量和无功给定信号分量。基于瞬时无功理论的谐波与无功电流检测方法具有快速性和精确性高的优点。并网指令电流信号是通过基于瞬时无功理论[6]的d-q谐波及无功电流检测法适当改变其结构,使谐波及无功指令电流与光伏并网有功电流合成并网指令电流信号。基于瞬时无功理论d-q法合成的电流通过有功指令电流、谐波电流、无功电流进行叠加。由于光伏发电具有间歇性且电网电能质量状况是变动的,光伏并网功率控制系统可以工作在以下几个工作状态:光伏并网逆变并进行谐波、无功补偿;光伏并网逆变并谐波补偿;单独进行光伏并网逆变;当夜晚或者阴雨天气时,光伏并网功率控制系统可以单独进行谐波补偿或者无功补偿。本文研究的光伏并网功率调节系统,通过设置参数达到转换系统控制模式的目的[7]。

光伏并网功率控制系统给定电流合成结构如图2所示。

图2 光伏功率控制系统给定电流合成结构图Fig.2 The given current composite structure photovoltaic power control system

图2 中:ia、ib、ic分别为负载电流;K1、K2为瞬时无功理论谐波和无功检测中引入的选择器KPV功率前馈比例系数;PLL 为锁相环。采用离散傅里叶算法(discrete Fourier transform,DFT)计算该电网周期的电网电压有效值。假设三相负载是非线性负载,则负载电流数学表达式为[8]:

对式(1)进行Clark 变换,得:

将式(1)代入式(2),可得:

在α-β坐标系下的iα和iβ经过T2r/2s变换得到dq坐标系下的有功分量id和无功分量iq,再通过低通滤波器(low pass filter,LPF)得到电流的基波有功分量和无功分量。则电网电流谐波分量和无功分量为:

如图2 所示,并网电流给定信号为:

通过控制K1、K2,可以实现以下几个工作状态[9]。

①当白天阳光充足,电网中有大量的无功和谐波时,系统需要工作在光伏并网逆变且进行谐波无功补偿状态,可设定K1=1、K2=0。此时,由图2 可知:=0。则系统指令电流信号为:

②当白天阳光充足,电网中有大量的谐波时,系统需要工作在光伏并网逆变且进行谐波补偿状态,可设定K1=1、K2=1。此时=1,则系统指令电流信号为:

③当白天阳光充足、电网中有大量的无功时,系统需要工作在光伏并网逆变且进行无功补偿状态,可设定K1=0、K2=1。此时=1,则系统指令电流信号为:

④当白天阳光充足,电网不需要进行谐波和无功补偿时,系统只需要进行光伏并网逆变状态,可设定K1=0、K2=0。此时=0,则系统指令电流信号为:

3 并网电流控制算法

光伏发电系统并网功率控制系统中,并网电流的有功部分为光伏系统输出的最大功率。当光照不断变化时,光伏系统最大功率也随之发生变化,进而引起直流侧功率输入发生变化。此时,系统响应发生了不稳定变化。针对以上问题,本文提出在电流控制环节加入功率前馈,使后级逆变器能够快速响应前级Boost变换器输入功率的变化。如图(2)所示,PPV为前级输入功率,PNB为逆变器输出功率,Us为DFT 电网相电压有效值[10-11]。

根据输入功率等于输出功率,将式(6)和式(7)变形,可得:

因此,可以计算出功率前馈电流给定值:

式中:kpv=,k为功率前馈比例系数,考虑开关管有功损耗。

电压外环采用PI 调节器稳定直流侧电压。将直流侧参考电压和直流侧测量电压Udc的差值作为PI 控制器的输入,进行比例积分运算输出,通过限幅后获得直流侧电压外环调节量输出,将电流幅值指令和前馈电流幅值指令相加,可得到电流内环并网电流有功给定值

4 仿真研究

用光伏电池模型来模拟光伏电站,并在Matlab/Simulink 仿真平台中搭建标况下额定功率为100 kW光伏并网功率控制系统。系统主要参数如表1 所示。

表1 系统主要参数Tab.1 Main parameters of the system

仿真过程中,主要验证电压外环和电流内环的控制性能。为了使谐波补偿功能有更好的效果,光伏阵列最大功率点跟踪采用电导增量法,负载为三相不可控整流器并联三相阻性负载。谐波检测环节采用瞬时无功功率法,以及静止坐标系下SVPWM 调制策略。本地负载呈阻感性,初始值ZL=10+j2。

系统独立到并网时,无功补偿电流电2 压波形如图3 所示。

图3 无功补偿电流电压波形Fig.3 Reactive power compensation current and voltage waveforms

图3 中,初始t=0 s 时,设定光照强度为0 W/m2、设定K1=1、K2=0,系统进行谐波和无功补偿无并网功能;t=0.3 s 时,光照强度变为800 W/m2,系统工作状态改变为并网并且进行谐波和无功补偿。直流侧参考电压设定为 800 V。从图3 中可以看出,系统既能够进行单独的谐波补偿,又能在谐波补偿和无功补偿的同时实现光伏并网功能,且电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)低于2%。

由图4 可知:当初始t=0 s 时,设定光照强度为800 W/m2、K1=0、K2=0,此时系统工作在光伏并网功能,不进行谐波和无功补偿;t=0.3 s 时,设定K1=1、K2=0,光照强度不变,系统工作状态改变为实现谐波和无功补偿的同时进行光伏并网。从图4 中可以看出,在0.3 s 以前电网电流中谐波含量比较大;在对K1值进行0.3 s 的调节以后,电网电流中的谐波含量明显下降,电流的总谐波畸变率THD 低于2%。

图4 系统在并网中谐波无功补偿电流电压波形Fig.4 Harmonic reactive power compensation current and voltage waveforms

有/无功率前馈环节系统直流电压波形如图5所示。

图5 有/无功率前馈环节系统直流电压波形Fig.5 DC voltage waveforms of have or no power feed-forward system

由图5 可知:当t=0 s 时,系统启动,初始光照强度为300 W/m2;当t=0.3 s 时,光照强度变为1 000 W/m2。如图5(a)所示,母线波动比较大,稳定调节时间比较长。但是加入功率前馈后,如图5(b)所示母线电压波动明显小,调节时间变小。在稳态条件下,直流侧电压稳定在800 V 附近,电流THD 低于2%。

5 结论

本文针对光伏并网发电系统中的逆变器工作存在间歇性和容量利用低的情况,对并网功率控制系统的控制结构进行了分析,提出了一种改进型的并网电流合成方法,并通过控制K1、K2值调整系统工作状态。本文在传统电流跟踪控制环节增加了功率前馈,通过改进传统光伏并网功率控制系统中电流给定算法,实现了系统能够根据天气和电网电能质量的状况进行工作状态的切换,使系统响应速度有所提高。最后,在Matlab 中搭建100 kW 的仿真平台,验证了该控制策略的正确性。