光伏并網(wǎng)逆變器功率優(yōu)化的能量耦合關(guān)系研究

光伏并網(wǎng)逆變器功率優(yōu)化的能量耦合關(guān)系研究

0光伏組件功率跟蹤模型基于高頻功率變換的序列，波形輸出矩陣通常分為兩種類型：單級(jí)式和二級(jí)式。采用單級(jí)式逆變器時(shí),由于只需一次高頻功率變換,具有變換效率高、光伏組件利用率高、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)［1～6］。單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件、濾波電容和并網(wǎng)逆變器,如圖1所示。由于光伏組件輸出功率近似為平滑的直流,而并網(wǎng)逆變器輸出功率呈周期性脈動(dòng),因此光伏組件與并網(wǎng)逆變器之間需要足夠大的濾波電容,以平衡并網(wǎng)逆變器與光伏組件間的瞬時(shí)功率差,該電容的引入導(dǎo)致了光伏組件、并網(wǎng)逆變器以及濾波電容三者之間的能量耦合。光伏組件輸出功率與輸出電壓之間為非線性關(guān)系,如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)光伏組件輸出功率的最大化,需要對(duì)光伏組件進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)［6～14］?，F(xiàn)有的MPPT方法一般是通過對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出功率施加小的擾動(dòng),通過一定的算法判斷光伏組件輸出功率的變化趨勢,進(jìn)而決定下一步施加擾動(dòng)的方式。上述施加微小擾動(dòng)的MPPT方法是在光伏組件輸出特性穩(wěn)定的前提下進(jìn)行的。在光照條件、溫度條件或其他不可知的外部因素發(fā)生變化而導(dǎo)致光伏組件輸出特性發(fā)生變化時(shí),也即光伏組件的輸出功率發(fā)生劇烈變化時(shí),由于濾波電容的能量耦合作用,光伏組件輸出功率的變化并不能在并網(wǎng)逆變器輸出功率上實(shí)時(shí)體現(xiàn),因此基于穩(wěn)態(tài)分析的MPPT方法不能保證并網(wǎng)逆變器的輸出功率實(shí)時(shí)跟蹤光伏組件輸出功率的變化,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使MPPT算法失效,導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。文獻(xiàn)[6,7]利用單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器中電容電壓波動(dòng)所反映的能量關(guān)系,研究了無電流傳感器的MPPT算法,但未分析電容儲(chǔ)能對(duì)MPPT穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的影響;文獻(xiàn)分析了單級(jí)并網(wǎng)逆變器中電容儲(chǔ)能對(duì)穩(wěn)態(tài)MPPT性能的影響,給出了儲(chǔ)能電容的選取準(zhǔn)則,但未分析儲(chǔ)能電容對(duì)MPPT動(dòng)態(tài)跟蹤性能的相互影響關(guān)系;文獻(xiàn)分析了單級(jí)并網(wǎng)逆變器中MPPT算法的穩(wěn)定性,提出采用變步長的算法來改善動(dòng)態(tài)性能,但也未分析儲(chǔ)能電容對(duì)MPPT性能的影響。本文分析研究了單級(jí)式并網(wǎng)逆變器濾波電容的能量耦合關(guān)系。把光伏組件的輸出特征曲線劃分為非穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和滑模變結(jié)構(gòu)區(qū),并給出了判別區(qū)域的方法。通過理論分析和計(jì)算推導(dǎo),在光伏組件輸出功率發(fā)生劇烈變化時(shí),利用光伏組件、濾波電容、并網(wǎng)逆變器三者之間的耦合關(guān)系以及濾波電容電壓的變化,精確計(jì)算出并網(wǎng)逆變器下一個(gè)功率周期的輸出功率給定,在一個(gè)功率周期內(nèi)解除濾波電容與并網(wǎng)逆變器和光伏組件之間的能量耦合關(guān)系,改善MPPT動(dòng)態(tài)性能。1光伏組件與并網(wǎng)變壓器間的功率耦合單級(jí)式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。如果忽略逆變器損耗,二者(Pinv、Po)近似相等。根據(jù)瞬時(shí)功率平衡關(guān)系:式中,PC———濾波電容的功率;PPV———光伏組件的輸出功率;Pinv和Po———分別為單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的輸入、輸出功率,其中:式中,———逆變器輸出功率峰值,ω=100π。由式(2)可看出,由于逆變器的輸出功率Po為大脈動(dòng)的直流量,而光伏組件在穩(wěn)定工作時(shí)輸出的功率是接近恒定的直流量,因此光伏組件與并網(wǎng)逆變器之間需通過大容量電容實(shí)現(xiàn)它們之間的功率解耦。在單級(jí)并網(wǎng)逆變器中,電容電壓uC就是光伏組件的輸出電壓,其單調(diào)性由流入電容的功率的符號(hào)決定。由圖2及式(1)、式(2)可得到光伏組件的功率-時(shí)間曲線和電壓-時(shí)間曲線,如圖3所示。通過以下分析可看到,面積關(guān)系反映了能量耦合,而電容電壓uC的單調(diào)性關(guān)系則反映了系統(tǒng)工作區(qū)域。1.1電容電壓uc單調(diào)圖3中,N1、N2和N3分別為光伏組件的輸出功率PPV與逆變器的輸出功率曲線Po的交點(diǎn)。L1和L2分別表示PPV曲線上N1至N2,N2至N3的分段曲線。C1、C2分別表示Po曲線上N1至N2,N2至N3的分段曲線。SI表示由C1、L1圍成的面積,SII表示由C2、L2圍成的面積。SI表示逆變器輸出功率大于光伏組件輸出功率的區(qū)域,此時(shí)電容放電,電容電壓uC單調(diào)下降;而SII表示逆變器輸出功率小于光伏組件輸出功率的區(qū)域,此時(shí)電容充電,電容電壓uC單調(diào)上升。如果SI=SII,則稱為平衡工作點(diǎn),即電容在一個(gè)市電功率周期內(nèi)凈能量流為零,逆變器輸出能量與光伏組件輸出能量在該周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)解耦。1.2電池電極電壓極值點(diǎn)分析將圖2按P-V曲線的單調(diào)性劃分為單調(diào)增的A區(qū)、單調(diào)減的B區(qū)以及非單調(diào)的M區(qū)。如圖2以及與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間曲線(如圖3所示),系統(tǒng)工作于A區(qū)時(shí),PPV隨uC的上升而上升,兩者具有同樣的單調(diào)性;B區(qū),PPV隨uC的上升而下降,兩者具有相反的單調(diào)性。如果系統(tǒng)工作于M區(qū),則對(duì)應(yīng)圖3的N1N2段以及N2N3段都將不再是單調(diào)曲線,因?yàn)橐馕吨恳欢味紥哌^MPP點(diǎn),故每段曲線都必然是凸線,極值點(diǎn)即為MPP點(diǎn)。由于P-V曲線在M區(qū)域近似對(duì)稱,N1至N2段,N2至N3段分別以該曲線的時(shí)間軸中心線近似對(duì)稱。所以,根據(jù)功率-時(shí)間曲線和電壓-時(shí)間曲線的單調(diào)性關(guān)系,即可判斷系統(tǒng)工作于哪個(gè)區(qū)域。從以上分析得知,電容電壓極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)著光伏組件輸出功率與逆變器輸出功率曲線的交點(diǎn)。這些交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度不僅反映了系統(tǒng)的工作區(qū)域,在后面的分析中可看到,它們也進(jìn)一步反映了電容能量是否解耦,即系統(tǒng)是否工作于平衡點(diǎn)。在圖3中,設(shè)t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度為α1,t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的角度為α2,則系統(tǒng)在線性區(qū)(A區(qū)與B區(qū))時(shí),t1時(shí)刻至t2時(shí)刻的功率差值為:對(duì)應(yīng)圖3中的N1N2線段,由于逆變器輸出功率大于光伏組件輸出功率,電容電壓uC單調(diào)減。因此,如果光伏組件輸出功率位于A區(qū),則N1N2對(duì)應(yīng)的輸出功率單調(diào)減,即ΔP<0;反之在B區(qū),則ΔP>0。因此,通過檢測電容電壓,求出單調(diào)性改變點(diǎn)的角度為α1和α2,并進(jìn)一步求出ΔP的符號(hào)便可以判斷系統(tǒng)工作點(diǎn)是位于A區(qū)還是B區(qū)?？紤]到在M區(qū)域,P-V曲線近似對(duì)稱,因此可得到α1+α2≈π,即ΔP近似為零。此時(shí)L1曲線不單調(diào),系統(tǒng)滑過了MPP點(diǎn),因此L1呈現(xiàn)上凸形狀。無論系統(tǒng)工作在什么區(qū)域,逆變器功率曲線與光伏組件功率輸出曲線每次相交時(shí),都意味著PC改變方向。2能量解耦系統(tǒng)通過下面分析可看到,系統(tǒng)處于M區(qū)域時(shí)如果能量能夠解耦,則其在MPP附近表現(xiàn)為小幅擺動(dòng)的穩(wěn)定的“變結(jié)構(gòu)滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)”。亦即,在M區(qū)實(shí)施能量解耦構(gòu)成了MPP穩(wěn)定的充分條件。2.1ppv增加與uc增加的過程在圖2中,假設(shè)系統(tǒng)分別處于A0點(diǎn)和B0點(diǎn)時(shí)都處于平衡工作點(diǎn)。在A0點(diǎn)時(shí),假設(shè)并網(wǎng)逆變器輸出功率Po有一個(gè)正擾動(dòng),將導(dǎo)致濾波電容電壓uC降低,即光伏組件輸出功率PPV降低,系統(tǒng)由A0向A1運(yùn)動(dòng);PPV降低意味著電容能量為凈輸出,因而uC進(jìn)一步下降,即PPV降低與uC下降的過程構(gòu)成了正反饋,將最后導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。若Po有一個(gè)負(fù)擾動(dòng),uc增加,系統(tǒng)由A0向A2運(yùn)動(dòng),PPV增加,PPV增加意味著電容能量為凈輸入,因而uC進(jìn)一步增加,此運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致uC進(jìn)一步增加,即PPV增加與uC增加的過程也構(gòu)成了正反饋,將最后導(dǎo)致系統(tǒng)爬過頂點(diǎn)。所以,A區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)域,應(yīng)避免工作于此區(qū)域。工作于B0點(diǎn)時(shí),假定并網(wǎng)逆變器輸出功率Po有一個(gè)正擾動(dòng),將導(dǎo)致uC降低,即PPV增加,系統(tǒng)由B0向B2運(yùn)動(dòng);由于PPV增加意味著電容能量為凈輸入,因而uC的將升高,系統(tǒng)由B0向B2運(yùn)動(dòng)自動(dòng)受到扼制。同理,當(dāng)Po有一個(gè)負(fù)擾動(dòng)時(shí),系統(tǒng)由B0向B1運(yùn)動(dòng)也同樣受到扼制而回到B0點(diǎn)。以上兩個(gè)過程都等價(jià)于負(fù)反饋過程,所以,B區(qū)是穩(wěn)定區(qū)域。在M區(qū)域,系統(tǒng)由于變結(jié)構(gòu)而以滑動(dòng)模態(tài)擺動(dòng)于穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)之間,處于一個(gè)特殊的穩(wěn)定狀態(tài)?；＿\(yùn)動(dòng)存在的第一個(gè)必要條件是系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)。無論是系統(tǒng)由穩(wěn)定區(qū)進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū),還是由非穩(wěn)定區(qū)進(jìn)入穩(wěn)定區(qū),都發(fā)生了功率與電壓關(guān)系的單調(diào)性變化,等價(jià)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化,變結(jié)構(gòu)點(diǎn)即是P-V曲線的極大值點(diǎn)?；＿\(yùn)動(dòng)存在的第二個(gè)必要條件是控制量極性變號(hào),而逆變器功率曲線與光伏輸出功率曲線相交,凈功率流變號(hào),則等價(jià)于控制量變向。定義變結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)滑過極點(diǎn)引起光伏組件輸出功率與輸出電壓的單調(diào)性關(guān)系發(fā)生變化,定義控制量變向?yàn)楣夥M件輸出功率與逆變器直流脈動(dòng)功率必相交而引起電容電流變方向,即電容電壓單調(diào)性變向。在此控制模式下,如果電容能量解耦,即一個(gè)功率周期電壓變化為零,則對(duì)應(yīng)系統(tǒng)滑過P-V曲線極點(diǎn)后反向滑回初始點(diǎn),因此,MPPT問題也就轉(zhuǎn)化成為系統(tǒng)進(jìn)入M區(qū)后的電容能量解耦問題。2.2基于l1的功率解耦圖3中,如果系統(tǒng)工作于A區(qū)和B區(qū),則L1和L2近似為直線,故C1、C2、L1、L2可分別用式(4)表示:由此積分可得到SI和SII:由以上分析可知,如果使得功率解耦,需保證SI=SII。令SI=SII,可得:由式(7)可得到以下結(jié)論:若系統(tǒng)平衡工作,則α2-α1=π/2,且若在A區(qū)則α1>π4,若在B區(qū)則3光伏組件用能量解耦mpptMPPT的最終目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電量最大。因此,MPPT算法由兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià):功率到達(dá)MPP點(diǎn)的時(shí)間以及到達(dá)MPP點(diǎn)后的功率或電壓擺幅。根據(jù)前述分析可知,如果在MPP點(diǎn)電容能量解耦,則系統(tǒng)內(nèi)在實(shí)現(xiàn)“滑模變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)”狀態(tài),但在系統(tǒng)進(jìn)入M區(qū)之前,能量解耦并無必要,因?yàn)闊o論是在A區(qū)還是B區(qū),能量解耦意味著系統(tǒng)在該點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定。特別是系統(tǒng)從開路電壓啟動(dòng)過程中,如果在B區(qū)就能量解耦,意味著系統(tǒng)進(jìn)入M區(qū)的過程緩慢。MPPT跟蹤的目的是使光伏組件的輸出功率最快上升至Pm,這等價(jià)于組件電壓即電容電壓最快下降至uCm,這進(jìn)一步等價(jià)于逆變器以最大功率輸出。而PPV上升至Pm后快速穩(wěn)定,則等價(jià)于系統(tǒng)在到達(dá)Pm時(shí)能立刻被牽引進(jìn)入“滑模變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)”狀態(tài),即立刻實(shí)施能量解耦。在A區(qū)和B區(qū)時(shí),圖4中L1的中點(diǎn)坐標(biāo)為:如果系統(tǒng)解耦,可將式(7)帶入式(8),得因此如果以為下一周期的功率給定,即可實(shí)現(xiàn)近似解耦。以上提出的功率解耦方法,特別適用于系統(tǒng)啟動(dòng)及光照突變的情況。4新型加大解耦控制實(shí)驗(yàn)搭建了一臺(tái)反激式光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)樣機(jī),樣機(jī)主要參數(shù)如表1所示,采用SIM4.0型PV模擬器模擬光伏板輸出特性,采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)MPPT。圖5給出了加入解耦控制前后的系統(tǒng)啟動(dòng)波形,其中圖5a是未加入解耦MPPT算法的啟動(dòng)波形,圖5b、圖5c是加入解耦MPPT算法的啟動(dòng)波形,圖中UC、iinv分別為解耦電容電壓波形和并網(wǎng)逆變器輸出電流波形。從圖5a、圖5b的對(duì)比波形圖中可看到,加入解耦算法后,啟動(dòng)速度明顯快于未加入解耦時(shí)的系統(tǒng)啟動(dòng)速度,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間可減小約一半;從圖5c可看到,加入解耦算法以后,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)以最大功率啟動(dòng),當(dāng)檢測到電容電壓達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí),能夠在一個(gè)功率周期內(nèi)解除電容的能量耦合,鎖定最大功率區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。圖6給出了模擬器最大功率點(diǎn)功率從160W突降至90W時(shí),加入解耦控制前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形,其中圖6a為未加入解耦時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形,從圖中可看到,當(dāng)功率瞬間跌落時(shí),系統(tǒng)不能立即響應(yīng)跟蹤功率變化,導(dǎo)致輸入電壓瞬間跌落,然后又緩慢啟動(dòng);圖6b為加入解耦后的實(shí)驗(yàn)波形,根據(jù)電容電壓的變化,系統(tǒng)能在單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)電容電壓也即光伏電池輸出電壓的穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)快速跟蹤,保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性能。實(shí)驗(yàn)波形表明了所提出解耦控制方法的有效性