朱湛

中图分类号:TM4 文献标识码:A文章编号:1673-0992(2009)12-019-02

摘要:文章分析了太阳能光伏发电系统的组成,介绍了光伏发电的并网运行。针对光伏并网发电系统中关键部件—逆变器的结构与控制进行了详细分析,并对一种采用滞环电流跟踪控制的光伏并网发电系统进行了仿真分析。仿真结果证明了该控制方法的可行性和实用性。

关键词:光伏并网;滞环电流跟踪控制;MATLAB仿真

一、引言

太阳能是人类取之不尽、用之不竭的绿色能源,太阳能光伏发电是一种将太阳光辐射能转换为电能的发电技术。太阳辐射能经光仪器件转换为电能,再经过能量存储、控制、变换等环节,成为可向负载提供直流或交流的电能。在这些环节中电力电子技术对电能的变换与控制发挥着重要作用。

二、光伏发电系统

太阳能光伏发电系统可以分为独立运行方式和并网运行方式两种基本类型。

图1(a)示为独立运行光伏发电系统的结构框图。在独立运行的系统中,需要蓄电池作为储能单元,它将有日照时所发的剩余电能储存起来。独立运行光伏发电系统适用于无电地区和人口稀少的地区。

图1(b)示为并网型光伏发电系统的结构框图。并网型光伏发电系统是将电网作为储能单元,当日照强时系统将所发的剩余电力馈入电网,当需要用电时再从电网吸收电力。并网型光伏发电系统的最大好处是可以省去蓄电池。因此,并网型光伏发电有助于电力系统的调峰。

A 独立运行方式b 并网运行方式

图1光伏发电系统结构框图

三、光伏并网发电系统

1.光伏并网发电系统的结构

图2所示为一个小功率的并网型光伏发电装置的电路原理图。

图2 光伏发电并网装置的主电路

主电路的左边直流侧直接与太阳电池的输出端相接,右边交流侧与电网相连。可以看出主电路由两部分组成,左侧为一个DC-DC变换器电路,右侧为一个DC-AC逆变器电路。因为200W的太阳电池板的输出电压只有几十伏,而要将能量反馈回220V的交流电网并获得较好的电流波形,则逆变器直流侧的电压应高于电网电压的峰值,因此需要DC-DC变换器完成升压的任务,这里DC-DC变换器的高频变压器同时还起到了电气隔离的作用。

2.光伏并网运行的工作原理

图3示为单级光伏并网发电装置逆变部分原理图

图3 单级式光伏并网逆变器电路

当开关器件T1,T4导通时,光伏电池阵列直流侧能量馈入电网,并网电流增大,电感储能增加。

当开关器件T1,T3导通时,光伏电池阵列对直流侧电容进行充电,交流侧电感储存能量通过T1及D3组成的回路反馈入电网,并网电流减小,电感储能减少。

当开关器件T2,T3导通时,电感的储能通过反并联二极管D2和D3组成的回路馈入电网,还与光伏电池阵列一起对直流侧电容进行充电,并网电流减小,电感储能减少。

当开关器件T2,T4导通时,光伏电池阵列对直流侧电容进行充电,电感储能通过D2及T4组成回路反馈入电网,并网电流减小,电感储能也减小。

对于并网电流的负半周,也可以进行相同的分析。这四种开关状态经过SPWM调制,并通过交流滤波器滤除载波高频分量后,即可使送入电网的电流波形为正弦波。

3.采用滞环电流跟踪控制的光伏并网运行

(1)滞环电流跟踪控制

滞环电流跟踪控制是一种有效的实时控制方法,具有系统稳定性好、电流跟踪性能好、响应快、不用载波等优点,适用于逆变器并网运行的控制。

采用滞环控制策略的系统原理图如图4所示,由相位检测环节得到的同步信号与并网电流幅值给定一起送正弦波发生器,生成与电网电压同频同相的参考电流信号i*,再经滞环比较器对并网电流反馈信号i与i*偏差进行调制得到开关管控制信号。

图4 采用滞环电流控制的光伏并网逆变器系统控制原理图

图5给出了采用滞环比较方式的单相并网逆变器DC/AC原理图。

图5 单相并网逆变器原理图

把参考电流i*和实际反馈电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入,通过其输出来控制开关器件T1、T4和T2、T3的通断。当i为正时,T1、T4导通,则i增大;T2、T3导通,则i减小。当i为负时,T1、T4导通,则i的绝对值减小;T2、T3导通,则i的绝对值增大。上述规律可概括为:当T1、T4导通时,i增大,当T2、T3导通时,i减小。这样,通过环宽为2△I的滞环比较器的控制,i就在i*+△I和i*-△I的范围内,呈锯齿状地跟踪参考电流i*。

滞环环宽对跟踪性能有较大的影响。环宽过宽时,开关动作频率低,但跟踪误差增大;环宽过窄时,跟踪误差减小,但开关的动作频率过高,甚至会超过开关器件的允许频率范围,开关损耗随之增大。

(2)采用滞环电流跟踪控制法对逆变器仿真

基于滞环电流跟踪控制法建立仿真模型,图6为采用滞环电流跟踪控制法的全桥DC/AC逆变部分闭环的MATLAB仿真模型。

图6 滞环电流跟踪控制的逆变部分的MATLAB仿真图

系统控制参数设置为:并网电流反馈增益为0.15,滞环宽度为0.003。逆变部分的主电路参数为:VDC=400 V,L1a=L1b=1.5 mH,L2a=L2b=15 mH,, C=0.47μF,R=10Ω,仿真时间为0.2s。

图7是稳态工作时并网逆变器电压及电流的仿真波形,从图中可以看出逆变器输出的电流为正弦波,与电压接近同相位,基本实现了单位功率因数运行。

图7 并网逆变器电压及电流的仿真波形

图8为逆变器输出电压及频谱,逆变器输出电压为正弦波,幅值为311.7 V,总谐波畸变率为1.06%。

图9为稳态工作时并网电流波形及其频谱,从图中可以看出,并网逆变器输出的电流

波形总谐波畸变率为2.95%,幅值7.711 A。

图8 逆变器输出电压及频谱 图9 并网电流波形及频谱

四、总结

文章介绍了光伏并网发电系统的运行,并对单相光伏发电并网系统进行测试,其中逆变器采用滞环电流跟踪控制。并网逆变器输出的电压与电流波形仿真结果与理论分析结果相符,均实现了并网电流与电网电压同相位即功率因数为1,而且逆变器输出电压电流的谐波畸变率都较低,说明该系统中运用滞环电流跟踪控制具有较好的实时性,验证了滞环电流跟踪控制策略在光伏并网发电系统中的可行性。

参考文献:

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