光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及分類1.1.1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，并且實現(xiàn)既向負(fù)載供電，又向電網(wǎng)發(fā)電的系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和繼電保護(hù)裝置組成。光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能。目前工程上應(yīng)用的光伏陣列一般是由一定數(shù)量的晶體硅太陽能電池組件按照系統(tǒng)需要的電壓的要求串、并聯(lián)組成的。并網(wǎng)逆變器是整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，它將光伏陣列發(fā)出的電能逆變成220V/50Hz的正弦波電流并入電網(wǎng)。電壓型逆變器主要由電力電子開關(guān)器件組成，以脈寬調(diào)制的形式向電網(wǎng)提供電能?？刂破饕话阌蓡纹瑱C(jī)或DSP芯片作為核心器件，控制光伏陣列的最大功率點的跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的功率和波形。繼電保護(hù)裝置可以保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全性。1.1.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器要同時完成MPPT和并網(wǎng)電流控制的任務(wù)，即保證光伏陣列輸出功率最大化的前提下控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相；兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器只需進(jìn)行逆變控制，光伏陣列最大功率點跟蹤（MPPT）由前級DC/DC變換器完成，并網(wǎng)逆變器通過控制DC/DC變換器的輸出電壓實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡，并網(wǎng)逆變器控制的任務(wù)是保證輸出電流與電網(wǎng)電壓頻率、相位完全一致。1.2光伏陣列模塊工作點（MPPT）跟蹤控制1.1.1光伏陣列輸出特性太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成,它是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。太陽能電池電路模型見圖2-1。a:（Iph：光生電流,正比于太陽能電池的面積和入射光的輻照度;ID：暗電流;Rsh：旁路電阻;Rs：串聯(lián)電阻;RL：電池的外負(fù)載電阻;Uoc：電池的開路電壓。）圖2-1太陽能電池電路模型輸出負(fù)載RL上電壓電流關(guān)系式中qk：電子電荷量及波爾茲曼常數(shù)；A：太陽能板的理想因數(shù),A=1.5；T：太陽能板的溫度；Iso：太陽能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)。由光伏電池數(shù)學(xué)模型分析可知,太陽能電池的輸出是一個隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2-2為太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，即光照1kW/m2,T=25e時的典型輸出特性。太陽能板的輸出開路電壓和輸出短路電流的值由生產(chǎn)廠家給出[3]。由圖2-2光伏電池輸出特性曲線可知,光伏電池在輸出電壓較低時,其輸出電流幾乎不變，可以看成一個直流恒流電源。光伏電池的P-U曲線是一個單峰值曲線，光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化而變化，在變化過程中存在一個最大值。圖2-2太陽能電池典型輸出曲線1.1.2MPPT控制方法觀察光伏電池輸出功率特性P-U曲線可知,太陽能電池有一個最優(yōu)工作點,叫做最大功率點(MPPT),它取決于電池板溫度和光照大小,不同的溫度和光照條件下太陽能電池有不同的最大功率點。即使在同一溫度和光照條件下,由于太陽能電池的工作電壓不同,也會使太陽能電池輸出功率不同。要使光伏電池盡可能地工作在最大功率點,需要使用最大功率點跟蹤(MPPT)控制。最常用的最大功率點跟蹤方法有：恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法[4]等。1、恒定電壓跟蹤法通過觀察光伏系統(tǒng)P-V關(guān)系曲線圖，發(fā)現(xiàn)在一定的溫度下，當(dāng)日照強(qiáng)度較高時，諸曲線的最大功率點幾乎都分布在一條垂直線的兩側(cè)，這說明光伏陣列的最大功率輸出點大致對應(yīng)于某一恒定電壓，這就大大簡化了MPPT的控制設(shè)計，即人們僅需從生產(chǎn)廠商處獲得數(shù)據(jù)，并使陣列的輸出電壓鉗位于值即可，實際上是把MPPT控制簡化為穩(wěn)壓控制，這就構(gòu)成了CVT式的MPPT控制。采用CVT較之不帶CVT的直接耦合工作方式要有利得多，對于一般光伏系統(tǒng)可望獲得多至20%的電能。但這種控制方式忽略了溫度對開路電壓的影響，特別是在環(huán)境溫度變化比較大的場合，會產(chǎn)生較大的偏差，從而浪費(fèi)較大的電能。CVT控制的優(yōu)點是：控制簡單，易實現(xiàn)，可靠性高；系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性；可以方便地通過硬件實現(xiàn)。缺點是：控制精度差，特別是對于早晚和四季溫度變化劇烈的地區(qū)；必須人工干預(yù)才能良好運(yùn)行，更難預(yù)料風(fēng)、沙等影響。圖2-3采用CVT控制的控制流程圖2、擾動觀察法擾動觀察法的原理是在每個控制周期用較小的步長改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動”；然后，通過比較干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。當(dāng)擾動達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，光伏陣列的實際工作點在其最大功率點附近的一個小范圍內(nèi)來回振蕩，從而導(dǎo)致部分功率損失；其次，難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣列可能長時間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)，步長過大，太陽能電池陣列在最大功率點附近的振蕩又會加大，跟蹤精度下降，從而導(dǎo)致更多的功率損失。由上可歸納出擾動觀察法具有以下優(yōu)缺點：①優(yōu)點：跟蹤方法簡單，被測參數(shù)少，傳感器精度要求不高，從而易于實現(xiàn)；②缺點：太陽能電池陣列只能在最大功率點附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定的功率損失；跟蹤步長對跟蹤精度和跟蹤速度無法兼顧；在外部環(huán)境突然變化時會出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。所以，擾動觀察法適合于日照強(qiáng)度變化比較緩慢場合。圖2-4擾動觀察法控制流程圖3、電導(dǎo)增量法由光伏電池的P-U曲線可以看出，在最大功率點處的斜率為零。通過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)后如下：求功率對電壓的導(dǎo)數(shù)：達(dá)到最大功率點時有下式成立最大功率點右邊時有下式成立最大功率點左邊時有下式成立上面推導(dǎo)表明當(dāng)太陽能電池陣列工作在最大功率點的條件是:輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值。若不相等，則要判斷大于零還是小于零，判斷其處于最大功率的左邊還是右邊，然后決定下一步擾動的方向。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點是：在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動觀察法小。電導(dǎo)增量法的缺點是:太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最大功率點，如同擾動觀察法一樣，增量電導(dǎo)法的變化步長也是固定的。電導(dǎo)增量法適合用于光強(qiáng)變化快速和緩慢的各種場合，但是它對于控制器硬件要求相對較高，從而導(dǎo)致控制器的成本增加，因而并不適用小功率的光伏發(fā)電場合。圖2-5電導(dǎo)增量法控制流程圖1.3光伏逆變器的并網(wǎng)控制策略光伏逆變器實現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行必須滿足：其輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻同相同幅值，輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相（功率因數(shù)為1），而且其輸出還應(yīng)滿足電網(wǎng)的電能質(zhì)量要求。這些都依賴于逆變器的有效控制策略。光伏并網(wǎng)逆變器的控制一般分為2個環(huán)節(jié)：第1個環(huán)節(jié)得到系統(tǒng)功率點，即光伏陣列工作點；第2個環(huán)節(jié)完成光伏逆變系統(tǒng)對電網(wǎng)的跟蹤同時，為保證光伏逆變器安全有效地直接工作于并網(wǎng)狀態(tài)，系統(tǒng)必須具備一定的保護(hù)功能和防孤島效應(yīng)的檢測與控制功能。1.3.1并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)并網(wǎng)逆變器是整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。光伏并網(wǎng)逆變器按控制方式分類，可分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電壓控制、電流源電流控制四種方式。以電流源為輸入的逆變器，直流側(cè)需要串聯(lián)一大電感提供較穩(wěn)定的直流電流輸入，但由于此大電感往往會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前并網(wǎng)逆變器普遍采用以電壓源輸入為主的方式。按照輸入直流電源的性質(zhì)，可以將逆變器分為電流型逆變器和電壓型逆變器[17]，結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。(a)電流型逆變器(b)電壓型逆變器圖2-6電流型、電壓型并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖市電電網(wǎng)可視為容量無窮大的定值交流電壓源，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出可以控制為電壓源或電流源。如果光伏并網(wǎng)逆變器的輸出采用電壓控制，則光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)運(yùn)行，這種情況下要保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，則必須采用鎖相控制技術(shù)實現(xiàn)與市電電網(wǎng)同步。在穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可通過調(diào)整并網(wǎng)逆變器輸出電壓的幅值與相位來控制系統(tǒng)的有功輸出與無功輸出。但由于鎖相回路的響應(yīng)較慢，并網(wǎng)逆變器輸出電壓值不易精確控制，系統(tǒng)可能出現(xiàn)環(huán)流等問題，同樣功率等級的電壓源并聯(lián)運(yùn)行方式不易獲得優(yōu)異性能。因此光伏并網(wǎng)逆變器的輸出常采用電流控制，此時光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上是交流電流源和電壓源的并聯(lián)，只需控制逆變器的輸出電流以跟蹤電網(wǎng)電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。這種控制方式相對簡單，使用比較廣泛。綜上所述，本文設(shè)計的光伏并網(wǎng)逆變器采用電壓源輸入、電流源輸出的控制方式，即電壓型逆變器。1.3.2逆變器輸出電流優(yōu)化控制并網(wǎng)逆變器采用的電流控制是將逆變器輸出作為電流源，它與電網(wǎng)的并聯(lián)可看作電流源與電壓源的并聯(lián)工作。并網(wǎng)工作中只需控制逆變器的輸出電流頻率、相位跟蹤電網(wǎng)電壓變化即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。PI控制PI控制采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)控制要求保證工作電流快速跟蹤電網(wǎng)電壓的波形，所以電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)的設(shè)置以保證電流快速跟蹤為目的；電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)電壓穩(wěn)定工作在最大功率點處，使外界環(huán)境發(fā)生變化時電路輸出仍然有最大的功率輸出，電壓外環(huán)控制一般采用比例積分控制。設(shè)濾波電感和線路的等效電阻為，則有：（2-1）對上式做拉氏變換，整理后可得到研究對象的傳遞函數(shù)為：（2-2）而脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以視為一階慣性環(huán)節(jié)，即：（2-3）其中，為逆變器增益，大小等于逆變電路的直流電壓利用率。為逆變器開關(guān)周期。當(dāng)逆變換環(huán)節(jié)處于高頻工作狀態(tài)時，開關(guān)周期非常小，可以近似為零，此時上式可簡化為：（2-4）為了減小電網(wǎng)電壓波動對電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的干擾，可加入電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)，此時電流控制方式為前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣依靠反饋控制使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時準(zhǔn)確地控制被調(diào)量等于給定值，而在動態(tài)過程中利用前饋控制有效地減少被調(diào)量的動態(tài)偏差[38]。PI控制算法采用雙閉環(huán)控制策略，電流內(nèi)環(huán)控制對于進(jìn)入系統(tǒng)的擾動具有很好的抑制作用，改善了控制對象的動態(tài)特性，使控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性；采用電壓外環(huán)控制確保直流側(cè)工作于最大功率點處，提高了能量的利用效率；加入前饋控制環(huán)節(jié)，與反饋回路取長補(bǔ)短，進(jìn)一步克服了電網(wǎng)電壓擾動對系統(tǒng)的影響。缺點是指令信號是電網(wǎng)電壓的基波正弦波，不是一個定值跟蹤系統(tǒng)，且指令信號中含有其他階次的諧波，僅采用PI控制是無法消除穩(wěn)態(tài)誤差的。滯環(huán)控制滯環(huán)控制是把正弦電流基準(zhǔn)值與輸出瞬時值比較得到的誤差量作為滯環(huán)比較器的輸入，其輸出用來控制逆變電路功率管的通斷。該控制方式選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)寬很重要，環(huán)寬越小，跟蹤誤差越小，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。該控制方式電路簡單、不用載波、電流響應(yīng)速度快，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量。但功率開關(guān)頻率隨負(fù)載電流的變化而變化，造成功率開關(guān)工作具有很大的不確定性，導(dǎo)致逆變器輸出電壓中諧波頻率隨開關(guān)頻率變化而變化，從而給輸出濾波器的設(shè)計帶來困難。圖2-7滯環(huán)控制框圖3、重復(fù)控制圖2-8重復(fù)控制框圖逆變器的輸出電流發(fā)生變形常常是因為逆變器的不受控制區(qū)域以及電網(wǎng)頻率波動的存在。內(nèi)模控制原理其中的重復(fù)控制原理能比較好的解決這個問題。在一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中存在著外部輸入信號模型，這就是內(nèi)?？刂啤；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制器具有良好的魯棒性與穩(wěn)態(tài)性能，它已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電力電子波形控制中；重復(fù)控制器對于周期性指令信號可以獲得近乎無差的跟蹤特性，而對于外部周期性擾動以及當(dāng)控制對象與所建立模型失配，或參數(shù)因為環(huán)境等而發(fā)生變化等因素具有較好的抑制能力[42]。重復(fù)控制器把給定信號和反饋信號的誤差作為控制指令，然后在下一個周期時把該誤差信號與給定信號相加，以消除輸出電流中的諧波分量。重復(fù)控制器包括周期延遲環(huán)節(jié)、低通濾波器和補(bǔ)償器，為一個基波周期內(nèi)的采樣次數(shù)。的作用是把當(dāng)前周期的誤差信號作為下一周期控制的輸入信號，以消除每個周期中重復(fù)出現(xiàn)的擾動。為取值介于0和1之間的常數(shù)，實現(xiàn)上一