一种新的光伏并网发电系统控制方案的研究.docx

1、一种新的光伏并网发电系统控制方案的研究 一种新型的光伏并网发电系统的控制方案可以 解决传统的光伏并网发电系统 所存在 的问题了。 针对传统 扰动观察法的振荡和误判， 一种跟下一时刻的功率相比较的改进的扰动观察法被提了出来，该方法结合 Boost升压电路，实现最大功率跟踪。针对光伏并网发电系统的谐波污染问题， 提出了在 电网的基波频率同步旋转坐标系里 的无差拍控制方案 。一种基 于主动频率偏移 孤岛检测 正反馈的参数优化方案被提了出来，这种方案可以解决 在检测区，传统的孤岛检测方法 受到干扰等问题。 最后，在 MATLAB/simulink的仿真和实验环境中，实验结果验证了该方案的有效性和优越性

2、。 1、介绍 太阳能具有无噪音，无污染，可持续利用等一系列优点。它已经成为最有发展潜力的绿色能源之一 。 光伏发电是太阳能利用的主要形式。光伏发电技术的深入研究对于解决能源危机，减少环境污染有重要的战略意义，促进经济的健康发展。 光伏并网发电系统仍有许多亟待解决的技术问题。 首先，由于太阳能电池的输出功率容易被 具有明显的非线性因素 的环境因素所 影响 ，光伏电池是一个非常不稳定的电力源，因此设计一个高效的、可靠的最大功率跟踪控制策略，在不同的光照强度和温度下能输出尽可能多的能量，提高系统的效率是一个重要的问题。其次，由于逆变器运行过度的谐波电流注入电网，电力系统的谐波污染问题越来越严重。电网

3、出现错误和异常，对其他设备也会产生不利的影响。第三，简单的指令对电流扰动方案没有影响，所以需要更可靠和更稳定的检测方法 防止孤岛效应。 如何更有效地减少对输出功率扰动 的 孤岛检测算法的影响和减少检测点是孤岛检测研究 的重点。 为了解决这些问 题，本文提出了一种新的光伏并网系统解决方法。该方案采用 Boost 升压电路，结合改进的最大功率点的扰动观察法，是 为了降低光伏发电的波动性和进一步降低网络电流的谐波含量 。本文提出了在基频功率同步旋转坐标系里的无差拍控制方案，是为了适应电网连接点和减少对电能质量的影响。 电网可以快速地追踪到孤岛效应。本文提出了在原孤岛检测方法的基础上带有正反馈的主动频

4、率偏移的孤岛检测方法。 2.最大功率点跟踪 2.1 改进的扰动观察法。虽然传统的扰动观察法易于实现，但是步长的选择和环境因素使得“振荡”和“误判”的现象严重。它们会降低 最大跟踪速度和精度。基于以上问题，本文提出了一种改进的扰动观察法，增加了和下一时刻功率相比较的联系。也就是说，该系统通过判断扰动边坡以及 下一时刻的功率相比较实现最大功率点的跟踪。该方法能快速追踪到最大功率点附近，如果外部条件突然变化，也可以纠正追踪。它不仅不会导致追踪失败和错误也能有效地提高了跟踪精度和降低了功率损耗。图 1 是改进扰动观察法的流程图。 图 1 2.2 最大功率点追踪控制。由于光伏发电系统的转换效率比较低，

5、最重要的是调整光伏阵列的工作点，使它工作在最大功率点附近，提高电力系统的整体效率。但是在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受光照强度，还有环境温度的影响。所以太阳能电池一直是不稳定的，按照以上描述的简单方法，不可能获得最大功率输出。目前实现最大功率点跟踪控制的方法是在太阳能电池阵列和负载之间添加一个 DC/DC 转换器， 通过改变功率 DC/DC 变换器的开关占空比来调整太阳能电池阵列的最大功率点。 本文利用带有改进扰动观察法的 Boost升压电路对太阳能电池板的最大功率点进行追踪。 图 2 表示 ，太阳能电池将检测 输出 电压和输出电流信号，并把其输 进了 MPPT算法模块，讲太阳能

6、电池输出的电压和电流相乘得到功率。然后用改进的扰动 观察法， 通过计算后， 将输出一个调制 信号 。将调制信号与固定频率的三角波信号相比较，产生一个开关信号，从而控制 升压电路的 电源开关。该系统通过调整装换装置的 占空比 实现最大功率点跟踪。 图 2 逆变器通常通过脉宽调制控制技术来控制逆变器的输出电流。有许多方法能实现对电流 内环 的控制 ，通过电流控制电压源逆变器 。 电流滞环控制是 动态 的，它也有快速的响应， 但滞环宽度是固定的 ， 所以 功率器件的开关频率不固定， 该电路的可靠性 也降低。 它可以防止同步旋转坐标系 中的 PI 控制 ，可以将 电压和电流的组件 放入 DC 组件中，

7、 从而实现浮动控制。但 是通过 一系列的测试 表明 ，PI控制器的参数 被设置， 可以得到更好的性能参数。 带有电流 无差拍 PWM 算法的无差拍控制有很好的动态响应， 输出电流可以快速精确跟踪 到 参考电流 。近些年 ，无差拍控制结合空间矢量 脉冲宽度调制 被广泛应用于电力数字控制的电子转换器。本文 建立了带有基于 SVPWM 电流 无差拍控制的 三相并网 逆变器的模型，也提出了 在基频功率同步旋转坐标系中的 无差拍控制 。 3.并网控策略 光伏并网系统需要采用并网发电逆变器将光伏阵列输出的直流电转化为交流电。电网电流经过逆变器，所以对电流谐波含量要求严格。在电网控制策略中尤其重要的是控制逆

8、变器输出电流的波形。 3.1dq 坐标系中的电流无差拍控制。 两级三相光伏逆变器拓扑 结构如 图 3。 图 3 图中，物理量的定义如下： , , 是逆变器的输出电压， , , 是三相光伏并网系统的电网电压。 , , 是三相并网系统输出的电感电流。 L 是滤波电感， 是升压电感， R 是电路等效电阻。 正如图 3 所示，在三相静止坐标系中，根据基尔霍夫定律，该电路等效方程如下： （ 1）中的 3/2 的转 换 和旋转可以通过 DQ坐标模型的电网电压和频率同步旋转： 在这些等式中， 和 是逆变器输出电压在 dq 坐标系中的的矢量。 和 是三相电网电压在 dq 坐标系中的矢量， 和 逆变器输出电流在

9、 dq 坐标系中的矢量。W是电网电压频率。 （ 2）的状态可以得到，设控制周期为 T，一个三相光伏逆变器离散状态模型的离散方程是： 3.2 并网逆变器的 整个 控制策略。 三相光伏逆变器控制结构如图 4 所示。 整个系统是由一个最大功率跟踪控制器，直流电压 源和交流 PI 控制 器 的无差拍控制 器组成的 。控制系统采用电压外环和电流内环 的双环控制结构 。电压外环可以保持直流电压 的稳定 ，而电流内环是用来提高该系统的快速性 。 4.孤岛检测方法和参数优化。 自动频率漂 移法。 自动频率漂移的方法。 光伏并网发电系统 的孤岛效应对电网的维修人员以及电力设备 有很大的危害的。因此，反孤岛策略必

10、须添加到光伏并网发电系统。自动频率漂移（ AFD）方法检测孤岛效应的可能性很高 并且 无需添加任何硬件系统。然而，参数和算法可以极大地影响 AFD 的能力。如果参数设置小 ，尽管干扰电网小，可能产生孤岛效应的检测漏洞 。如果参数设置大，孤岛效应可以 很容易 被检测到 ，但它 使电源质量差甚至可能会引起电压的变化，使电力系统不稳定的。此外，当电路呈现容性 ， 频率的下降可以帮助检测出孤岛 效应的影响，而 频率的增加可能 会 由于 负载的相位角偏移导致 孤岛效应的检测 失败 。当电路呈现感性， 频率的增加可以帮助检测孤岛效应，频率的下降会造成未检测区。因此，根据 AFD 算法的特点， 为了减小对电

11、能质量的影响，离网时能快速检测到孤岛效应 ，使 未 检测区 更小 ， 或者使在一些特定的载荷 下未检测区更小 ， 本文 介绍了正反馈 AFD 算法 ，这是带有正反馈 的 主动 频率 。 图 4 对于线性检测法，其控制策略是 : = +K f 在公式中， 是截断函数， 是固定的初始扰动， =f- 是公共点频率和电网频率之间的差值， K 是反馈增益。 4.2AFDPF 的参数优化。 当电网电压降低，如果逆变器不 跟 分开 ， 会发生 公共 点频率波动 的情况，直到产生新的平衡点。 是 RLC 电路的固有特性，由 R,L,C 决定； 是由电网频率 和 R,L 决定的，但是， C 和 不相关。当有功功

12、率匹配时， 和 R是不变的，所以 只由 L决定。 负载电容和谐振电容的关系是： C= =(1+ C) 公共耦合点的角频率等于： + W AFDPF 方法符合下列标准： 在下列方程中， 是时间间隔，当电流过零导致电压过零时，将式（ 6）和（ 9）带入到式（ 11）中可得到： 公共点和电网的频率差值的范围是 -0.70.5HZ,固定的初始扰动可以设为=0.02. 为了使不存在未检测到的区域，电容值的范围应为： 所以可以得到： 当 =50HZ 时，可以得到以下结果： K大于 0.0637。 因此，为了使未检测区域更小，反馈增益至少为 0.0637. 5.仿真 在本文中，在 Matlab/Simuli

13、nk 仿真环境中，最大功率点跟踪，无差拍控制策略，和孤岛检测仿真模型 都 建立了。本文给出了仿真结果 。 5.1 最大功率点跟踪。根据 MPPT 控制策略，建立 仿真模型。当光 照 强度降低，最大功率 点 的电压和电流波形 如 图 5（ a）和 5（ b）。图 5（ c）和 5（ d）光照强度和温度 变化时 ，太阳能电池板的输出功率变化波形。 通过仿真 结果可以 得到，辐射强度的变化，改进后的扰动观察 法 在最大 功率点跟踪 上能快速响应 。在不同的光照强度 下，为了跟踪最大功率点 ， MPPT 控制器 的控制脉冲信号的占空比 是不同的，从而验证了 光伏电池的最大功率点跟踪 的理论。 5.2

14、无差拍控制策略。本 文 利用 Matlab/Simulink 仿真验证了在 dq坐标系统的无差拍控制模型的正确性 。 仿真参数如下：电网电压为 220V，频率为 50Hz，三相逆变器的交流测量电感 3MH，交流电阻测量是 0.1，仿真时间为 0.5s，开关频率为 10kHz。 0.3 秒 的时候，从 1000W/平米的光 照 强度下降 到 400W平方米，直流电压引起轻微波动 ； 逆变器输出 电流的波形 随着光照强度的降低 而 下降 ， 他们 有 相同的频率 和相， 功率因数为 1，如图 6 所示。当光照强度发生变化时， 逆变器 输出电流波形在不到一 个 周 期的 时间 内 稳定， 直流母线电

15、压将保持稳定。 逆变器的输出电流 的波形是正弦波， 它具有 相同的 频率和相位波形。从 MATLAB 仿真结果 可以看出 ， 该 控制策略具有良好的动态和稳态性能和 降低现有网络的谐波含量。 逆变器输出电压波形具有相同的正弦波 频率和相位量，该 控制策略的实现 了交付 的单位功率因数并网。 6 为了证明整个控制方案 的正确性 ， 本文采用了 topcon10kw 光伏阵列模拟器 来 做 这个实验。在这个实验中，我们设计了一个两阶的逆变器；在第一阶 中，我们使用升压电路把直流电压 升高 ；在第二阶段，我们使用 IGBT 全桥逆变器 将其 连接到电网 上 。 逆变器的 DSP 我们用的是 TI 公

16、司的 TMS320F2812。 交流侧滤波电感为 12mH。 在本文中，根据图 4 的 整个控制 策略，我们完成了该实验。 第一阶段的逆变器 直流电压波形 如图 9 所示；逆变器 输出的电流波形 和 电网的电压波形 如图 10所示（电压波动较大）。此外我们测量 了 功率因数等于 1， 电流的 THD 为 2.2%。因此，直流电压 有小的波动和纹波， 功率因数等于 1， 电流并入电网。 7.结论 针对光伏并网发电的常规问题 新一代 光伏并网发电 系统 方案 被 提出了。根据MATLAB /Simulink 仿真以及实验， 验证了该策略可以改善 传统的扰动观察法出现的振荡和误判等 现象 。也能实现 更快和更可靠的 光伏电池 最大 功率 跟踪 。 该方案采用 了三相 光伏并网逆变器 在 dq 坐标系中的 无差拍控制 ，有效地减少 输出 电流的 谐波含量 。通过单位功率因素实现对电网的电力传送。通过引入 参数值 ，带有正反馈的主动频率漂移 进一步减少了 未 检测区 ， 提高了检测的可靠性。