楊文方光伏論文(實(shí)驗(yàn))

1、準(zhǔn)滑?？刂茊蜗喙夥⒕W(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究楊文方，段曉明洛陽理工學(xué)院（河南洛陽471023）1系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路屮dc/dc升壓電路采用boost結(jié)構(gòu)，dc/ac逆變并網(wǎng)電路采 用單相全橋結(jié)構(gòu)，具體的系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示：厶1光伏陣列厶2 *acq圖2系統(tǒng)主電路原理圖為保證系統(tǒng)環(huán)節(jié)的分段線性性質(zhì)，電路中電感l(wèi)i、l2和電容c的選定值應(yīng) 足夠大。這里值得說明的是，交直流濾波環(huán)節(jié)盡管只用了一個(gè)電感l(wèi)2,但實(shí)驗(yàn) 結(jié)果證明這樣做是可行的。1.1光伏陣列模型分析參考文獻(xiàn)1給出了一種如圖3所示的光伏陣列數(shù)學(xué)模型，從圖中可以看出, 該模型實(shí)際上是一個(gè)恒流源和可變電阻的并聯(lián)電路。本文光伏陣列的

2、數(shù)學(xué)模型也 正是基于這種思想建立的。如不考慮環(huán)境溫度的影響，圖3中電阻腫可等效為光照強(qiáng)度和負(fù)載電流的 函數(shù)，如式1所示：圖3光伏陣列電路模型圖reprr?/?1+/?2(1-)(1-a(/schx)%-/vc)1 sc(1)式（1）中a,&, ©為常數(shù)，心eow為最大光照強(qiáng)度下光伏陣列的短路電流值， /sc為實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度下光伏陣列的短路電流值，/v光伏陣列的負(fù)載電流值。則光 伏陣列的數(shù)學(xué)模型可表示為：tj _ r j 只占2(1 sc - s)u pv _9 1 ep j+尺2(1-于勺(1 - 2(/sc_ioo% -，sc)1 sc(2)1.2 boost電路模型分析bo

3、ost屯路主要由一個(gè)電感、屯容、二極管以及一個(gè)開關(guān)管組成。圖2-3 示出了它的基木電路結(jié)構(gòu)。ohhok cud光伏陣列>pv >-圖4 boost電路結(jié)構(gòu)在電流連續(xù)的情況下，可以定義岀兩種開關(guān)狀態(tài)：1）開關(guān)k閉合而二極管 截止，2）開關(guān)k關(guān)斷而二極管導(dǎo)通。設(shè)升壓儲(chǔ)能電感值為乙，直流輸出側(cè)電容 值為c,兩種狀態(tài)按固定周期t進(jìn)行切換，并定義導(dǎo)通占空比為d,狀態(tài)矢量 x = ud,ipj,根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律則可得到：狀態(tài)1）,即當(dāng)nt<t<ndyr時(shí)：x = ax + bxu pv(3)式(3)中：a, =0b,=ujj/c0狀態(tài) 2),即當(dāng)(n + t/)t<r

4、 <(« + 1)7 時(shí)(4)x 人2 兀 + b°u py + c?i )0_1/厶1/c052=1/1-1/c0式（3）、（4）中川為整數(shù)，id為boost變換器的輸出電流，其值可以根據(jù) f環(huán)節(jié)的負(fù)載數(shù)據(jù)計(jì)算出來。1.3逆變主電路模型分析u并網(wǎng)逆變主電路（圖5） 一般采用單極性或雙極性方式來進(jìn)行控制，木系 統(tǒng)采用了后者，即雙極性控制方式。這種方式的特點(diǎn)是，s|、s4和s2、s3分別 組成一組開關(guān),兩組開關(guān)交替通斷,即s1、s4同時(shí)導(dǎo)通時(shí),s2、s3必須同時(shí)關(guān) 斷，反之亦然。設(shè)并網(wǎng)濾波電感值為厶2，電網(wǎng)電壓為u,并網(wǎng)電流為1l2,根據(jù) 基爾霍夫定律或者拉格朗日動(dòng)力學(xué)

5、方程可以得到以下各式：-l. = u-ud（當(dāng) s1,s4 通，s2,s3 斷時(shí)）（5）dt一 l 力乙2 = % + ud（當(dāng) s1,s4 斷，s2,s3通時(shí)）（6）dt將（5） （6）合并得：如二丄八丄-（7）dr -l2-l2其屮，規(guī)定當(dāng)$ , s4通，s2, s3斷時(shí)/ = 1,當(dāng)si , s4斷，s2 , s3通時(shí) / = -lo另外，通過分析逆變屯路的工作原理，還可以確定出與式人2的邏輯 關(guān)系：當(dāng) /厶2»°，"1 時(shí)：=】l2； 當(dāng)人 2»°，了=一1 時(shí)：1d = t l2。當(dāng)【l2 <0, 了 = 1 時(shí)：id =-/l

6、25 當(dāng) / 厶 2<0, 了 = -1 時(shí):id =/£2o 由此可知/d可以用一個(gè)符號(hào)函數(shù)與l的乘積來表示：id =sgn（/2n/）-/z2（8）用（2）、（3）、（4）、（7）、（8）即可建立系統(tǒng)的程序控制模型，而整個(gè)系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究也是基于這-模型進(jìn)行的。2系統(tǒng)控制原理分析1,s42,s3圖6系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理框圖2. 1 boost電路控制原理boost電路主要完成dc-dc升壓和穩(wěn)壓工作。如圖6所示，其控制電路 是一個(gè)由電壓比較環(huán)節(jié)、pi調(diào)節(jié)器，以及pwm信號(hào)生成環(huán)節(jié)組成的閉環(huán)控制系 統(tǒng)。電圧給定值魚一般取電網(wǎng)電壓u的13倍。整個(gè)電路通過調(diào)節(jié)pwm信 號(hào)的占空

7、比來實(shí)現(xiàn)升壓和穩(wěn)壓功能。2.2逆變電路控制原理設(shè)/；2為并網(wǎng)給定電流，&為待定正實(shí)數(shù)，定義一個(gè)滑模而:(11)(12)(13)s=a(il2-rl2) £ = a(il2 -乙2)s = a(-u + -ud-il2)將式(7)代入上式可得：在理想的滑動(dòng)模態(tài)中，控制作用的切換頻率值無窮人，狀態(tài)軌跡沿著滑模面 作上卜-垂宜運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際系統(tǒng)的開關(guān)頻率是有限的，因此，可以引入一個(gè)具有典 型繼電器特性的切換函數(shù)ms)來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的“準(zhǔn)滑?？刂啤?，y(s)的函數(shù)特征 如圖8所示圖8 切換函數(shù)y（s）進(jìn)一步，可以將切換函數(shù)描述為:當(dāng)s5或者當(dāng)s <0并且|s|v當(dāng)s<-8或

8、者當(dāng)5>0并且|s|v5/ = 17($) = vy = 1(14)式屮5為止實(shí)數(shù)，表示切換函數(shù)的滯回區(qū)間。滯回特性使得開關(guān)控制的屮心模 態(tài)5=0,整個(gè)切換控制發(fā)生在s二土的兩個(gè)模態(tài)之間。切換頻率的高低依賴于 乙2斜率的大小，并不同定。s函數(shù)的波形可以用圖9來表示。顯然，式（14）表示的切換函數(shù)以及式（11）、（12）共同確定了逆變電路的切 換條件和控制規(guī)律。在圖6逆變電路的控制原理示意圖屮，引入了一個(gè)微分d 的控制環(huán)節(jié)，其作用主要是完成式（12）或（13）中（的求解計(jì)算。2.3逆變電路并網(wǎng)參考電流信號(hào)生成原理如圖6所示，為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)cos0 = 1的有源逆變，電流給定信號(hào)/；2可

9、直接利用電網(wǎng)電壓信號(hào)u乘以一實(shí)數(shù)變量p來生成，而p的取值可通過最大功率 點(diǎn)跟蹤（mppt）算法單元的輸出電流值/吋來確定（因?yàn)檫@兩個(gè)參數(shù)是線性相關(guān) 的）。這樣即可一方面保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓為同頻同和控制，一方面保證并 網(wǎng)功率為光伏陣列所能輸出的最大功率。h前，關(guān)于mppt的算法有很多種，本文提jiit-種新的算法即“電阻增量 算法”。這種算法的特點(diǎn)是可以兼顧光照強(qiáng)度和溫度兩個(gè)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)光伏陣列最人功率點(diǎn)的全局跟蹤。因?yàn)樵谧钊斯β庶c(diǎn)幾處有dp/dlpv=0,所以有:(9)du pv/dlpvdp/d/py =upv+lpv dupv/dlpv =0(10)式仃0）為電阻增量法達(dá)到最大功率

10、點(diǎn)的條件，即輸出電阻的變化量等于輸出 電阻的負(fù)值時(shí)，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)，隨后算法通過比較光伏陣列的電阻 增量和瞬間電阻來改變控制信號(hào)，在電阻增量大于瞬間電阻的區(qū)域增加工作電 流，在電阻增量小于瞬間電阻的區(qū)域減小工作電流，當(dāng)兩者相等時(shí)，電流保持不 變；在電流不變電壓增加時(shí)，增加工作電流，在電流不變電壓減小時(shí)，減小工作 電流。電阻增量法控制流程圖如圖7所示。圖7電阻增量算法控制流程3實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于kc200gt光伏陣列和stm32fl03微控制器，設(shè)計(jì)研制了本文提出的單 相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中首先使dc-dc電路電壓閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的輸出值恒定， 然后對(duì)逆變電路的準(zhǔn)滑模控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)的

11、相關(guān)參數(shù)如電網(wǎng)電壓幅值u = 220v ,電網(wǎng)頻率©=100龍,l2 = 10ml, c = 220“f并網(wǎng)參考電流幅值/；2=0.54。dc-dc電路輸出電壓u = 240v ；采樣頻率f = 5khz 所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10 逆變電路輸出電壓與并網(wǎng)電流波形圖11電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流波形從以上實(shí)驗(yàn)波形圖屮可以看出，逆變電路a、b兩點(diǎn)的輸岀電）£uab的波形 呈明顯的雙極性止弦波pwm特征。穩(wěn)態(tài)情況下并網(wǎng)電流乙2與電網(wǎng)電壓“同頻 同相，因此可以驗(yàn)證木系統(tǒng)并網(wǎng)功率因數(shù)能夠逼近1的理想指標(biāo)，但從圖屮也可 看出，并網(wǎng)電流含有較大的諧波分量，這止是由滑模控制策略木身存在的非線性 “抖振”