屋頂光伏并網(wǎng)逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤控制

屋頂光伏并網(wǎng)逆變器最大功率點(diǎn)跟蹤控制

1光伏發(fā)電系統(tǒng)將更好地利用在調(diào)峰電站和屋頂光伏并網(wǎng)電站從能源的角度來看，太陽能將改變補(bǔ)充能源而不是能源的角色，太陽能能源將逐漸從無電區(qū)轉(zhuǎn)向有電區(qū)。光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽能利用的發(fā)展趨勢,除大型光伏并網(wǎng)電站外,光伏發(fā)電系統(tǒng)將愈來愈多地用于調(diào)峰電站和屋頂光伏并網(wǎng)電站。目前美、德等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)推出了規(guī)模較大的屋頂光伏并網(wǎng)發(fā)電計劃,預(yù)計美國在10年內(nèi)將安裝總?cè)萘繛?000MW的太陽能屋頂并網(wǎng)電站,作為屋頂并網(wǎng)發(fā)電計劃核心的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)也將越來越多地得到更多的關(guān)注。本文從光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā),分析了并網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理、研究了系統(tǒng)的最大功率跟蹤問題,同時建立了控制模型,最后通過實驗驗證了方案的正確性。2系統(tǒng)原理2.1逆變電壓的并網(wǎng)運(yùn)行通常光伏并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。系統(tǒng)采用三相橋的電路結(jié)構(gòu),逆變電壓通過電感與電網(wǎng)相連,實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行模式下,系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同,電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。2.2光伏陣列擾動跟蹤控制光伏陣列的特性曲線如圖2a所示,陣列工作點(diǎn)不同決定了它的輸出功率也不同。光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的原理是:通過檢測光伏陣列在不同工作點(diǎn)下的輸出功率,經(jīng)過比較尋優(yōu),找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應(yīng)的工作電壓。具體實現(xiàn)方法如下:首先使光伏陣列工作于某一確定電壓值,然后擾動太陽電池輸出電壓值(UPV+?U),再測量輸出功率的變化,與擾動之前的功率值相比。若輸出功率值增加,則表示擾動方向正確,可向同一方向以+?U為步長再擾動;若擾動后的功率值減小,則向反方向以-?U為步長再擾動。此法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡單,被測參數(shù)少,通常被較普遍地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大,尋優(yōu)過程如圖2b所示。3并網(wǎng)電流正弦波圖1中,定義A橋臂上管通下管斷時Sa=1,下管通上管斷時Sa=0。同理,按此規(guī)則定義Sb、Sc?？刂迫鄻虮鄣拈_關(guān)狀態(tài),可以使并網(wǎng)電流實現(xiàn)功率因數(shù)為1的正弦波。直流電流方程為如果忽略PWM的高次諧波,可以將開關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc看成是角頻率為ω、相角為α、幅值為m的正弦函數(shù),如果只考慮開關(guān)函數(shù)的基波分量S1a、S1b、S1c,則有設(shè)電網(wǎng)相電壓和并網(wǎng)相電流之間的相角為θ,則式中Im——相電流的幅值當(dāng)只考慮開關(guān)函數(shù)的基波分量時,則有因此,系統(tǒng)控制模型可以建立為如圖3所示。4開環(huán)控制方式取并網(wǎng)電流為狀態(tài)變量,對于a相電流有式中Ra——線路內(nèi)阻寫成復(fù)數(shù)域形式為式中G3(s)——濾波器傳遞函數(shù)忽略功率器件VT1～VT6及死區(qū)時間的非線性影響,SPWM控制方式下的橋式逆變環(huán)節(jié)可視為一個高增益的小慣性環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為電流環(huán)一般采用PI控制方式,可以得出并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖4所示。對控制系統(tǒng)而言,Ua為電網(wǎng)電壓,可視為系統(tǒng)的擾動輸入,I*為電流指令值。由圖4可知,擾動Ua對于系統(tǒng)的輸出Ia的影響為式中G(s)——系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)擾動Ua作用下的誤差為從控制原理來看,這里的前饋補(bǔ)償實際上是采用開環(huán)控制方式去補(bǔ)償可測量的擾動信號,因此前饋補(bǔ)償不會改變控制系統(tǒng)的特性;從抑制擾動的角度來看,前饋控制可以減輕反饋控制的負(fù)擔(dān),反饋控制系統(tǒng)的增益可以取得小一些,這利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前饋補(bǔ)償后的控制系統(tǒng)如圖5所示,此時,擾動作用下的誤差為本文在實際系統(tǒng)的設(shè)計中,采用前饋補(bǔ)償后獲得了極為良好的效果。系統(tǒng)響應(yīng)速度雖無明顯改善,但卻非常明顯地減小了超調(diào)量。5kw光伏并網(wǎng)變壓器實驗結(jié)果本文為科技部“十五”科技攻關(guān)項目“大型光伏并網(wǎng)電站”采用的系統(tǒng)。根據(jù)上述設(shè)計研制了一臺20kW光伏并網(wǎng)逆變器,系統(tǒng)的實