1光伏并网发电系统的结构和基本原理1.1光伏并网发电系统的组成及分类1.1.1光伏并网发电系统的组成光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或DSP芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。1.1.2光伏并网发电系统的分类光伏并网发电系统有单级式光伏并网发电系统和两级式光伏并网发电系统。单级式光伏并网发电系统中，并网逆变器要同时完2成MPPT和并网电流控制的任务，即保证光伏阵列输出功率最大化的前提下控制并网电流与电网电压同频同相；两级式光伏并网发电系统中，并网逆变器只需进行逆变控制，光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）由前级DC/DC变换器完成，并网逆变器通过控制DC/DC变换器的输出电压实现系统功率平衡，并网逆变器控制的任务是保证输出电流与电网电压频率、相位完全一致。1.2光伏阵列模块工作点（MPPT）跟踪控制1.1.1光伏阵列输出特性太阳能电池是利用半导体光伏效应制成,它是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。太阳能电池电路模型见图2-1。a:（Iph：光生电流,正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度;ID：暗电流;Rsh：旁路电阻;Rs：串联电阻;RL：电池的外负载电阻;Uoc：电池的开路电压。）图2-1太阳能电池电路模型输出负载RL上电压电流关系exp1RLRLsRLphosRLRLsshUIRqIIIUIRAkTR3式中qk：电子电荷量及波尔兹曼常数；A：太阳能板的理想因数,A=1.5；T：太阳能板的温度；Iso：太阳能板的逆向饱和电流，与T有关。由光伏电池数学模型分析可知,太阳能电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图2-2为太阳能电池在标准测试条件下，即光照1kW/m2,T=25e时的典型输出特性。太阳能板的输出开路电压wU和输出短路电流scI的值由生产厂家给出[3]。由图2-2光伏电池输出特性曲线可知,光伏电池在输出电压较低时,其输出电流几乎不变，可以看成一个直流恒流电源。光伏电池的P-U曲线是一个单峰值曲线，光伏电池输出功率随输出电压变化而变化，在变化过程中存在一个最大值。图2-2太阳能电池典型输出曲线观察光伏电池输出功率特性P-U曲线可知,太阳能电池有一个最优工作点,叫做最大功率点(MPPT),它取决于电池板温度和光照大小,不同的温度和光照条件下太阳能电池有不同的最大功率点。即使在同一温度和光照条件下,由于太阳能电池的工作电压不同,也会使太阳能电池输出功率不同。要使光伏电池尽可能地工作在最大功率点,需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制。最常用的最大功率点跟踪方法有：恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观察法、电导增量法[4]等。1、恒定电压跟踪法通过观察光伏系统P-V关系曲线图，发现在一定的温度下，当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得数据maxV，并使阵列的输出电压钳位于maxV值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，特别是在环境温度变化比较大的场合，会产生较大的偏差，从而浪费较大的电能。CVT控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。缺点是：控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化剧烈的地区；必须人5工干预才能良好运行，更难预料风、沙等影响。图2-3采用CVT控制的控制流程图2、扰动观察法扰动观察法的原理是在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”；然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。6当扰动达到稳态后，光伏阵列的实际工作点在其最大功率点附近的一个小范围内来回振荡，从而导致部分功率损失；其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大，太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失。由上可归纳出扰动观察法具有以下优缺点：①优点：跟踪方法简单，被测参数少，传感器精度要求不高，从而易于实现；②缺点：太阳能电池阵列只能在最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损失；跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾；在外部环境突然变化时会出现误判现象。所以，扰动观察法适合于日照强度变化比较缓慢场合。7图2-4扰动观察法控制流程图3、电导增量法由光伏电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处的斜率为零。通过简单的数学推导后如下：求功率对电压的导数：*0dPdIIUdUdU达到最大功率点时有下式成立 dI I dU U 最大功率点右边时有下式成立 8 0 dP dU 最大功率点左边时有下式成立 0 dP dU 9 上面推导表明当太阳能电池阵列工作在最大功率点的 条件是:输出电导的变化量等于输出电导的负值。若不相等， 则要判断dP dU 大于零还是小于零，判断其处于最大功率的左 边还是右边，然后决定下一步扰动的方向。 电导增量法的优点是：在日照强度发生变化时，太阳能 电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的 电压振荡也较扰动观察法小。电导增量法的缺点是:太阳能 电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导 致系统稳定在一个局部的最大功率点，如同扰动观察法一 样，增量电导法的变化步长也是固定的。电导增量法适合用 于光强变化快速和缓慢的各种场合，但是它对于控制器硬件 要求相对较高，从而导致控制器的成本增加，因而并不适用 小功率的光伏发电场合。 10 图 2-5 电导增量法控制流程图 1.3 光伏逆变器的并网控制策略 光伏逆变器实现并网运行必须满足：其输出电压与电网 电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（功率 因数为1），而且其输出还应满足电网的电能质量要求。这 些都依赖于逆变器的有效控制策略。光伏并网逆变器的控制 一般分为2个环节：第1个环节得到系统功率点，即光伏阵列 工作点；第2个环节完成光伏逆变系统对电网的跟踪同时， 为保证光伏逆变器安全有效地直接工作于并网状态，系统必 11 须具备一定的保护功能和防孤岛效应的检测与控制功能。 1.3.1 并网逆变器的结构 并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心部分。光伏 并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压 源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。 以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较 稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态 响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的 方式。 按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆 变器和电压型逆变 器 [17] ，结构如图2-6 所示。 (a) 电流型逆变器 12 (b) 电压型逆变器 图 2-6 电流型、电压型并网逆变器结构图 市电电网可视为容量无穷大的定值交流电压源，光伏并 网逆变器的输出可以控制为电压源或电流源。如果光伏并网 逆变器的输出采用电压控制，则光伏并网系统和电网实际上 就是两个交流电压源的并联运行，这种情况下要保证光伏并 网发电系统稳定运行，则必须采用锁相控制技术实现与市电 电网同步。在稳定运行的基础上，可通过调整并网逆变器输 出电压的幅值与相位来控制系统的有功输出与无功输出。但 由于锁相回路的响应较慢，并网逆变器输出电压值不易精确 控制，系统可能出现环流等问题，同样功率等级的电压源并 联运行方式不易获得优异性能。因此光伏并网逆变器的输出 常采用电流控制，此时光伏并网系统和电网实际上是交流电 流源和电压源的并联，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电 网电压，即可达到并联运行的目的。这种控制方式相对简单， 使用比较广泛。 13 综上所述，本文设计的光伏并网逆变器采用电压源输 入、电流源输出的控制方式，即电压型逆变器。 1.3.2 逆变器输出电流优化控制 并网逆变器采用的电流控制是将逆变器输出作为电流 源，它与电网的并联可看作电流源与电压源的并联工作。并 网工作中只需控制逆变器的输出电流频率、相位跟踪电网电 压变化即可达到并联运行的目的。 1、 PI控制 PI控制采用电流内环，电压外环控制。电流内环控制要 求保证工作电流快速跟踪电网电压的波形，所以电流内环PI 参数的设置以保证电流快速跟踪为目的；电压外环控制确保 直流侧电压稳定工作在最大功率点处，使外界环境发生变化 时电路输出仍然有最大的功率输出，电压外环控制一般采用 比例积分控制。 设滤波电感L和线路的等效电阻为r ，则有： L L L L di L i r U E dt （2-1） 对上式做拉氏变换，整理后可得到研究对象的传递函数 为： 1 1 G S LS r （2-2） 而脉宽调制环节和逆变环节的传递函数可以视为一阶 14 惯性环节，即： 2 1 K G S TS （2-3） 其中，K为逆变器增益，大小等于逆变电路的直流电压 利用率。T 为逆变器开关周期。当逆变换环节处于高频工作 状态时，开关周期非常小，可以近似为零，此时上式可简化 为： 2 G S K （2-4） 为了减小电网电压波动对电流内环控制系统的干扰，可 加入电网电压前馈环节 1 f K K ，此时电流控制方式为前馈-反 馈控制系统。这样依靠反馈控制使系统在稳态时准确地控制 被调量等于给定值，而在动态过程中利用前馈控制有效地减 少被调量的动态偏差 [38] 。 PI控制算法采用双闭环控制策略，电流内环控制对于进 入系统的扰动具有很好的抑制作用，改善了控制对象的动态 特性，使控制系统具有较好的鲁棒性；采用电压外环控制确 保直流侧工作于最大功率点处，提高了能量的利用效率；加 入前馈控制环节，与反馈回路取长补短，进一步克服了电网 电压扰动对系统的影响。缺点是指令信号是电网电压的基波 正弦波，不是一个定值跟踪系统，且指令信号中含有其他阶 次的谐波，仅采用PI控制是无法消除稳态误差的。九游官方入口九游官方入口