Three phase gridconnected PV power system of power control

1、three phase grid-connected pv power system of power controlabstractthis paper proposes a control strategy for grid-connected photovoltaic (pv) system based on power controlling. the pv grid-connected system is composed of pv array, dc/dc boost converter and inverter etc. the maximum output power of

2、photovoltaic array is used as the reference input of the outer ring of inverter control loop power , to achieve maximum power into the grid; and the current control loop is used to control the system into the mains current quality, at the same time to realize the current protection of the inverter c

3、ircuit. the simulation results testified this methodology was fine, having the power of high tracking accuracy, current distortion of small features, which can improve the power convention efficiency of the pv grid-connected system.key words-photovoltaic grid-connected system；power control；do transf

4、orm；spwm. 引言項(xiàng)目基金：河南教育廳項(xiàng)目（2011a470006） 鄭州市科技局項(xiàng)目（iodtgs507-5）隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的增加，實(shí)現(xiàn)光伏功率的有效轉(zhuǎn)換面臨越來越大的挑戰(zhàn)。光伏陣列輸出的直流電需要轉(zhuǎn)換為正弦交流電方可注入電網(wǎng)。ieee std. 929-20001 要求光伏系統(tǒng)經(jīng)由逆變器注入配電網(wǎng)的電流總的諧波含量要小于5%。因此，并網(wǎng)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)兩個重要的功能：一是使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處，從而提高系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率；二是使逆變器注入電網(wǎng)的電流為與并網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波，且輸出功率因數(shù)為1。目前，為提高光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，針對光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的技術(shù)是研究的熱點(diǎn)之一。

5、文獻(xiàn)25對這方面做了詳細(xì)的研究，其中較常用的方法有：擾動觀察法、增量電導(dǎo)法以及智能控制算法等。逆變器的控制是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的又一重要方面，其主要作用是控制系統(tǒng)注入電網(wǎng)的電流為高品質(zhì)的交流電。其控制算法主要有重復(fù)控制6、電流滯環(huán)控制7、智能控制8等。這些控制算法雖然一定程度上實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，但控制精度不夠，效果不太理想。為解決上述問題，結(jié)合參考文獻(xiàn)9-11本文提出了一種以功率控制為外環(huán)電流控制內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式。. 光伏陣列的特性本文采用一種雙指數(shù)等效電路模型12，對光伏電池的特性進(jìn)行了分析與仿真。其簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 光伏電池簡化電路模型fig.1. simplified pv cell

6、circuit model. 光伏電池輸出電流與端電壓之間的關(guān)系為： （1）式中光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生的光生電流，為暗電流，為電池的端電壓，為串聯(lián)電阻,為旁路電阻。和均為光伏電池本身固有電阻，相當(dāng)于光伏電池的內(nèi)阻。另外光伏電池的特性還隨光照強(qiáng)度和溫度而變化?？紤]到這些因素的影響，光伏電池模型還用到了以下兩個方程。光伏電池輸出電流與光照強(qiáng)度和溫度之間的關(guān)系式為： （2）式中是光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)情況下的輸出電流（25和1000w/），為電流/溫度變化系數(shù)，是溫度變化量，為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度（1000w/）。電流溫度變化系數(shù)很小，因此相對于光照強(qiáng)度，溫度對短路電流的變化影響很小。 式(1)中光伏電池的反向飽和電流受

7、溫度影響很大。二者的關(guān)系： (3)式中和為標(biāo)準(zhǔn)情況下光伏電池的短路電流和開路電壓，、電流電壓的溫度變化系數(shù)。圖2為根據(jù)上述公式得到光伏陣列的功率電壓特性曲線。從圖中可以看出在外界條件不變的情況下，光伏陣列存在一個最大輸出功率點(diǎn)（mpp），且當(dāng)光照強(qiáng)度或者溫度發(fā)生變化時此點(diǎn)也隨之變化。圖2 光伏陣列的p-v特性曲線fig.2. pv cell p-v characteristic 圖3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)及其主控制模塊示意圖fig.3. schematic diagram of the grid connected pv system showing its main control blocks.

8、. 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3給出了光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它包括光伏陣列、直流boost變換器、逆變器等。由圖2可知光伏陣列的輸出功率存在一個最大值點(diǎn)，該點(diǎn)是隨光照強(qiáng)度和溫度的改變而變化的。通過最大功率點(diǎn)跟蹤（mppt）技術(shù)可以使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)。擾動觀察法和電導(dǎo)增量法因其控制簡單且性能優(yōu)越而受到廣泛的應(yīng)用。光伏陣列輸出電壓ppv經(jīng)mppt的控制作為dc/dc變換器的輸入電壓，dc/dc變換器的作用就是將電壓ppv變換為穩(wěn)定的輸出電壓vcd，從而保證逆變器的輸入側(cè)直流電壓為一個恒定值。三相電流控制電壓源逆變器（vsi）的作用為將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為適合并網(wǎng)的交流電。lf和cf組成的lc濾波器可以濾

9、除逆變電流中的擾動諧波分量。而電流總的畸變諧波含量是衡量電能質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)。配電網(wǎng)可視為一個y型連接的電壓源，并帶有電感l(wèi)g和電阻rg。負(fù)載為感性負(fù)載rl。a. dc/dc boost 控制電路直流側(cè)升壓變流器用來使光伏電池輸出最大功率，并為逆變器并網(wǎng)提供一個穩(wěn)定的直流側(cè)母線電壓。直流變流器原理圖如圖5所示。光伏陣列與變流器的輸入端相連，直流側(cè)電容器與變流器的輸出端相連。圖4 dc/dc boost 升壓電路原理圖fig. 4. dc-dc boost converter schematic diagram.圖中dc/dc變換器的輸入端電壓vpv與輸出端電壓的關(guān)系如下。 （4）式中為開

10、關(guān)器件q的占空比，其值小于1。由該式可知在光伏陣列輸出端電壓不變的情況下通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件q的占空比就可以得到期望的逆變器輸入電壓。b. 電壓源逆變器（vsi）電壓源逆變器的作用是將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，圖5為三相兩電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（spwm）能夠有效的為逆變器的每個晶體管提供開關(guān)脈沖。脈寬調(diào)制逆變器常用的控制方式有電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制和功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制等。本文的控制方法的是以功率控制為外環(huán)，電流控制為內(nèi)環(huán)使逆變器輸出功率等于光伏陣列的最大輸出功率。首先將并網(wǎng)的三相輸出電壓和電流轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq0）下，求出逆變器輸出的用功無功功率和無功功率。

11、然后將其與參考信號和進(jìn)行比較（其中為光伏陣列的最大輸出功率，而為了使逆變器的輸出功率因數(shù)為1，選?。?，兩者的誤差作為功率外環(huán)的輸入信號經(jīng)pi調(diào)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)的參考電流信號。最后經(jīng)電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)獲得逆變器的正弦波脈寬調(diào)制發(fā)生器（spwm）的門控制信號，通過spwm產(chǎn)生逆變器的控制信號。圖5 三相兩電平電壓源逆變器fig. 5. two level, three phase voltage source inverter.c. dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率控制假設(shè)系統(tǒng)是平衡的，dq轉(zhuǎn)換可以將逆變器注入的三相電流轉(zhuǎn)換為三個恒定的直流分量id、iq、i0。這兩者之間的關(guān)系式為： (5)（5）式中為參考坐標(biāo)系

12、的旋轉(zhuǎn)頻率，單位rad/sec。三相電壓的轉(zhuǎn)換與電流相同。在dq坐標(biāo)系下逆變器輸出的有功和無功功率的計(jì)算公式為： （6）式中、是公共耦合點(diǎn)的dq電壓分量，、是注入電流的dq分量。功率外環(huán)的控制過程可用下式表示： （7）式中、為得到的電流dq參考分量, 、為外環(huán)pi控制參數(shù)。將逆變器輸出電流的dq分量、作與之比較，然后經(jīng)電流內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到逆變器的spwm門控信號的指令電壓、如式（8）所示。 (8) 式中、為內(nèi)環(huán)pi控制器參數(shù)。最后將dq指令電壓信號、經(jīng)dq反變換轉(zhuǎn)換為自然坐標(biāo)系abc下的三相電壓。作為逆變器的spwm調(diào)制的控制信號，通過對逆變器的控制來實(shí)現(xiàn)dc/ac功率的變換。. 仿真實(shí)

13、驗(yàn)及結(jié)果分析為了驗(yàn)證本文所討論控制方法能否達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)，對圖3所示的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在matlab simulink 中進(jìn)行了仿真。表1給出了仿真電路中的設(shè)置參數(shù)。圖6給出了系統(tǒng)仿真的結(jié)果。表1 系統(tǒng)參數(shù)table 1 parameters of system參數(shù)值并網(wǎng)相電壓10kv并網(wǎng)頻率50hz直流母線電壓3000v濾波器電感l(wèi)5mh濾波器電阻r0.05濾波器電容c1f負(fù)載有功功率1mw負(fù)載無功功率10kvar圖6（a）為逆變器在公共耦合點(diǎn)注入電網(wǎng)的三相電流，可以看出在經(jīng)過初始階段的短暫調(diào)整后電流達(dá)到了一個穩(wěn)定值。圖6（b）為注入電網(wǎng)的電流的總諧波畸變量，其值均在2%4%之間，符合iee

14、e std. 929-2000的規(guī)定。圖6(c)為逆變器輸出電流與電壓的比較，為比較方便圖中將電壓幅值做了縮小，從中可以看出兩者同頻同相。圖6（d）是逆變器輸出的功率。在開始時有功功率為參考值為1mw，無功為零。文中假設(shè)在0.4秒時有功功率值以10mw/s的速率發(fā)生改變，0.5秒后參考功率穩(wěn)定到了0.5mw。從仿真的結(jié)果來看該控制算法很好的實(shí)現(xiàn)了功率跟蹤，進(jìn)而保證了光伏陣列能夠工作在最大功率點(diǎn)處，使整個系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率得到了提高。.結(jié)論本文提出了一種針對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的直接功率控制策略。該控制策略采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制，功率外環(huán)的控制目的是使逆變器的輸出有功功率跟隨光伏陣列的最大輸出功率

15、，無功功率等于零。近而保證光伏系統(tǒng)具有較高的功率轉(zhuǎn)換效率，且逆變器輸出功率因數(shù)等于1；電流內(nèi)環(huán)的控制目的是使逆變器注入電網(wǎng)的電流為高質(zhì)量的正弦波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法能夠達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。并使整個光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率得到了提高。（a）注入電網(wǎng)的三相電流（b）并網(wǎng)電流的總諧波畸變量（c）逆變器輸出電流電壓相位圖（d）逆變器輸出的有功無功功率圖6 仿真結(jié)果fig。6 simulation resultsreferences1 ieee recommended practice for utility interface of photovoltaic (pv) systems, ieee

16、 std 9292000, p.i,2000. 2 s. jain and v. agarwal. comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single-stage grid-connected photovoltaic systems .iet electr. power appl. 2007. 1(5): 753. 3 xiong yuancheng, yu li, xu jianming. mppt control of photovoltaic generation

17、 system combining constant voltage method with perturb- observe methodj. 2009. 29(6): 85-88. (in chinese)4 t. esram and p. l. chapman. comparison of photo- voltaic array maximum power point tracking techniquesj. energy conversion, ieee transactions on. 2007. 22(2): 439-449.5 li chun-hua, zhu xin-jia

18、n , cao guang-yi，et al.a maximum power point tracker for photovoltaic energy systems based on fuzzy neural networksj.zhejiang univ sci a. 2009. 10(2): 263-270 (in chinese).6 zhou xue-song, song dai-chun, ma you-jie, et al. grid-connected control and simulation of single-phase two-level photovol - ta

19、ic power generation system based on repetitive control. international, conference on measuring technology and mechatronics automation. ieee computer society. 2010. 307: 366-369 (in chinese).7 zou xiao, yi ling-zhi, zang ming-he, et al. constant-frequency hysteresis current control of pv grid-connected inverterj. electric power automa - tion equipment. 2008, 28(4): 58-62(in chinese). 8 chih-chiang hua yi-chau chiou. digital photovoltaic power conversion system with intelligent control approachc. iciea 2009: 20