光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究

光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究

0光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)在弱電壓的末端，負(fù)載失能和波形對(duì)能的質(zhì)量傳輸?shù)挠绊懕戎行碾娋W(wǎng)嚴(yán)重。有幾種方法可以補(bǔ)償和抑制電網(wǎng)的無(wú)影響補(bǔ)償和波形。采用源濾波（apf）和源濾波，對(duì)不有效的電流補(bǔ)償和波形進(jìn)行了控制。因?yàn)樗谠S多地方都是有效的。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以廣泛分布于電網(wǎng)各處,包括電網(wǎng)虛弱的末梢,其并網(wǎng)有功電能的大小決定于光伏陣列的發(fā)電功率,一般情況下要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同相位,即保證功率因數(shù)為1。要讓其發(fā)出無(wú)功電流也很方便,兩者如果結(jié)合,則可以實(shí)現(xiàn)有功發(fā)電和無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。三相有源無(wú)功補(bǔ)償裝置的主電路拓?fù)渑c三相并網(wǎng)逆變電源主電路拓?fù)渫耆恢?并網(wǎng)發(fā)電的有功電流與電網(wǎng)電壓同相,其來(lái)源于母線直流電壓的調(diào)節(jié)控制;電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償電流與電網(wǎng)電壓矢量成90°,其來(lái)源于電網(wǎng)無(wú)功電流的測(cè)量。如果將并網(wǎng)指令電流與無(wú)功指令電流合成,系統(tǒng)跟蹤該合成指令電流,則可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電和無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一控制。因此,在合理的控制策略支持下,可以將并網(wǎng)發(fā)電和無(wú)功補(bǔ)償控制功能合為一體,對(duì)于該一體化裝置,稱(chēng)之為光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)(photovoltaicpowerconditioner,PVPC)系統(tǒng)。PVPC系統(tǒng)綜合考慮了清潔能源的利用和電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高,以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ),將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波控制相結(jié)合,不僅可以有效地進(jìn)行光伏發(fā)電、提高供電質(zhì)量和減少功率損耗,而且可以節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投資,拓寬了光伏并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用范圍。1逆變橋及其同步工頻的電路工作特性在本文所研究的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,認(rèn)為三相電網(wǎng)電壓波形對(duì)稱(chēng)。太陽(yáng)電池陣列將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為直流電能,PVPC裝置將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能,并將其饋送電網(wǎng)。白天,PVPC除了向市電提供對(duì)應(yīng)于光伏陣列輸出功率的有功功率外,還可提供部分負(fù)載所需的無(wú)功功率;夜晚,PVPC則只需從市電吸收小量的有功電能維持系統(tǒng)正常運(yùn)行,完全變?yōu)橛性礊V波和無(wú)功補(bǔ)償裝置掛接于電網(wǎng)。PVPC系統(tǒng)一般采用電壓型全橋逆變主電路,圖1為采用工頻變壓器隔離的三相PVPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),與并聯(lián)APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似。太陽(yáng)電池陣列輸出直流電壓,經(jīng)防反二極管連接到逆變橋的直流母線,二極管主要防止夜間電網(wǎng)向太陽(yáng)電池陣列反灌電能。逆變橋的交流側(cè)經(jīng)電抗器與工頻變壓器連接,再由工頻變壓器隔離、升壓并入電網(wǎng)。為方便分析,將圖1中變壓器輸出等效為電網(wǎng),忽略該交流電網(wǎng)內(nèi)阻,電抗器的電阻與PVPC內(nèi)阻等效為R,其a相等效電路及主回路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中,UaO表示三相橋電路a相逆變電壓uaO的相量,Ia表示三相橋電路a相逆變電流ia的相量,Ea表示三相電網(wǎng)a相電壓ea的相量。由圖2(a)得主回路的傳遞函數(shù)Ga(S)為式中:τa為時(shí)間常數(shù);τa=L/R,j=a、b、c。按圖2(a)中電壓、電流參考方向,改變逆變電壓UaO的幅值和相位,可使Ia運(yùn)行在不同象限,相量圖如圖3所示。Fig.3Vectordiagramofcurrentandvoltage圖3(a)中,UaO超前Ea,Ia運(yùn)行在第一象限,電路工作在逆變狀態(tài),從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸能量,并網(wǎng)電能含有容性無(wú)功功率。此狀態(tài)反映的是白天太陽(yáng)電池陣列輸出電能饋入電網(wǎng),同時(shí)PVPC提供容性無(wú)功。圖3(b)中,UaO滯后Ea,Ia運(yùn)行在第二象限,電路工作在整流狀態(tài),電路吸收有功電能,同時(shí)向電網(wǎng)送出容性無(wú)功功率,此種狀態(tài)反映的是夜晚太陽(yáng)電池陣列輸出功率為零,PVPC提供容性無(wú)功。圖3(c)中,UaO超前Ea,Ia運(yùn)行在第四象限,電路工作在逆變狀態(tài),從直流側(cè)向交流側(cè)傳輸能量,電路向電網(wǎng)送出感性無(wú)功功率,此狀態(tài)反映的是白天太陽(yáng)電池陣列輸出功率饋入電網(wǎng),PVPC提供感性無(wú)功。圖3(d)中,UaO滯后Ea,Ia運(yùn)行在第三象限,電路工作在整流狀態(tài),吸收有功電能,同時(shí)向電網(wǎng)送出感性無(wú)功功率,此狀態(tài)反映的是夜晚太陽(yáng)電池陣列輸出功率為零,PVPC提供感性無(wú)功。PVPC系統(tǒng)的直流母線電壓必須穩(wěn)定,太陽(yáng)電池陣列和交流電網(wǎng)都可以提供電能穩(wěn)定母線電壓,因此其母線電流是可以雙向流動(dòng)控制的,系統(tǒng)的直流電壓調(diào)節(jié)器輸出控制母線電流的大小和方向。2控制p2pc的策略2.1無(wú)功電流和電壓檢測(cè)瞬時(shí)無(wú)功電流的檢測(cè)方法有多種,如文獻(xiàn)提出了FFT算法,實(shí)現(xiàn)非整數(shù)次諧波的精確檢測(cè)。本系統(tǒng)主要補(bǔ)償負(fù)載中的無(wú)功分量,采用基于三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論瞬時(shí)無(wú)功電流的檢測(cè)方法,變換公式簡(jiǎn)單,易于DSP實(shí)現(xiàn),保證了系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目焖俜磻?yīng)。關(guān)于瞬時(shí)無(wú)功功率理論及無(wú)功電流檢測(cè)的推導(dǎo)過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)。設(shè)三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng),且為正序。根據(jù)圖2(a)所示的電流參考方向,如果檢測(cè)負(fù)載電流ia、ib、ic中的無(wú)功和諧波分量,可計(jì)算實(shí)際電流中的基波有功電流分量iapf、ibpf和icpf。式中:ibp為ia、ib、ic在p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的基波有功直流分量。將被檢測(cè)電流ia、ib、ic與其基波有功電流分量相減,即可獲PVPC的無(wú)功與諧波補(bǔ)償電流指令為2.2最大功率跟蹤控制太陽(yáng)電池陣列的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性,其隨日照強(qiáng)度和結(jié)溫而變化,由其伏安特性也可以得到U-P特性,如圖4所示,該形狀呈現(xiàn)如下特征:①對(duì)應(yīng)太陽(yáng)電池陣列電壓,太陽(yáng)電池陣列輸出功率的極值是唯一的,且該極值也是最大值;②在功率最大點(diǎn)兩側(cè),U-P曲線是單調(diào)遞增或單調(diào)遞減的。從功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)方面理解,在最大功率點(diǎn)處,dP/dU=0;在最大功率點(diǎn)的左側(cè),始終有dP/dU>0,U增加,P也增加;在最大功率點(diǎn)的右側(cè),始終有dP/dU<0,U減小,P反而增加。系統(tǒng)發(fā)電控制的目標(biāo)是需要光伏陣列能夠提供最大功率,即光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)的電壓Um處,在光伏系統(tǒng)中稱(chēng)為最大功率跟蹤。最大功率跟蹤控制方式一般有兩種:CVT(constantvoltagetracking)方式和TMPPT(truemaximalpowerpointtracking)方式。CVT方式較為簡(jiǎn)單實(shí)用,其原理是認(rèn)為太陽(yáng)電池陣列的最大功率點(diǎn)電壓Um在一定日照強(qiáng)度和溫度范圍內(nèi)變化不大,可以使系統(tǒng)光伏陣列電壓穩(wěn)定在Um附近不變,即實(shí)現(xiàn)了近似的最大功率跟蹤。TMPPT方式則是真正的最大功率跟蹤,其始終搜尋最大功率點(diǎn)的電壓Um值,并使光伏陣列穩(wěn)定于Um處。本文采用的最大功率跟蹤方式如圖5所示。圖5中,CVT環(huán)節(jié)為電壓調(diào)節(jié)器,控制直流母線電壓Udc跟蹤指令,其輸出為并網(wǎng)電流的有功分量指令,功率控制環(huán)節(jié)為并網(wǎng)電流的跟蹤控制實(shí)現(xiàn),其輸出影響直流母線電壓的大小。由圖4可知,在最大功率點(diǎn)處dP/dU=0,因此,最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的輸入指令值為0,反饋值為dP/dUdc。由陣列工作電壓Udc和陣列輸出電流Isp采樣計(jì)算得到陣列輸出功率P,經(jīng)過(guò)功率微分環(huán)節(jié),獲得搜索方向S。對(duì)S進(jìn)行積分來(lái)確定指令電壓,積分系數(shù)k可以控制搜索速度。系統(tǒng)最終穩(wěn)定于dP/dUdc=0處,即最大功率點(diǎn)Um處。由于P-U特性曲線在Um處較為平坦,且系統(tǒng)受到變量采樣精度的限制,會(huì)在Um附近擺動(dòng),其擺動(dòng)幅度受采樣精度與積分系數(shù)k的影響。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制方案時(shí),應(yīng)考慮到盡量減少跟蹤給定電壓的波動(dòng)幅度。2.3電流環(huán)跟蹤控制并網(wǎng)功率控制涉及到并網(wǎng)有功電流指令和無(wú)功電流指令的產(chǎn)生,并網(wǎng)有功電流指令來(lái)源于圖5中的CVT環(huán)節(jié)輸出,最大功率跟蹤的結(jié)果可以搜尋到光伏陣列最大功率點(diǎn),并促使系統(tǒng)的并網(wǎng)電流在當(dāng)前日照下達(dá)到最大值。無(wú)功電流指令來(lái)源于電網(wǎng)的瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié),其相位與電網(wǎng)中無(wú)功電流相位相反,旨在抵消負(fù)載無(wú)功電流對(duì)電網(wǎng)影響。并網(wǎng)有功電流是與電網(wǎng)電壓同步的正弦信號(hào),則PVPC系統(tǒng)瞬時(shí)并網(wǎng)電流有功分量指令(j=a、b、c)表達(dá)式為PVPC系統(tǒng)的無(wú)功與諧波補(bǔ)償電流指令為式(3)(j=a、b、c),系統(tǒng)并網(wǎng)電流為兩電流分量的合成,將式(3)和式(8)相加,則可得PVPC系統(tǒng)瞬時(shí)并網(wǎng)電流指令(j=a、b、c)如下:系統(tǒng)并網(wǎng)指令電流的跟蹤采用SPWM閉環(huán)控制方式,電流環(huán)調(diào)節(jié)器Gc(s)采用比例控制。該電流環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出uc為按正弦規(guī)律變換的一系列脈沖,經(jīng)電壓放大到驅(qū)動(dòng)主電路功率開(kāi)關(guān)管,形成三相橋逆變電壓UjO(j=a、b、c)。SPWM脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)及主電路的電壓增益相當(dāng)于比例環(huán)節(jié),用Kw表示,逆變橋電路相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié),二者的傳遞函數(shù)統(tǒng)一表示為Gw(s)=Kw/(τSs+1),其中滯后時(shí)間τS與SPWM波形的載波周期Ts相等。結(jié)合主回路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2(b),可得電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖6所示。在逆變器并網(wǎng)啟動(dòng)的短時(shí)間內(nèi),如果電流環(huán)的有效跟蹤未能快速建立,造成電流跟蹤相位差過(guò)大并超過(guò)90°,這樣系統(tǒng)就會(huì)處于吸收電網(wǎng)電能狀態(tài),電網(wǎng)反向?qū)χ绷鱾?cè)電容充電,導(dǎo)致電容電壓升高,如果短時(shí)間內(nèi)不能控制電流跟蹤相差,則會(huì)造成系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作。因此,圖6中需要加入電網(wǎng)電壓的前饋控制,以改善實(shí)際跟蹤指令電流的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。3測(cè)試指標(biāo)及方法系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)容量為30kVA,以TMS320LF2407A為主控芯片,具有該功能的光伏電站于2004年8月建成,地點(diǎn)在合肥工業(yè)大學(xué)校內(nèi)逸夫科技樓頂,電站的光伏陣列總功率配置為12.375kWp,選用的組件功率為125Wp,共99塊,33塊串3組并聯(lián),直流母線最高電壓可達(dá)760V。為驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行效果和功能實(shí)現(xiàn),同時(shí)研制了30kVA的有源無(wú)功發(fā)生裝置SVG,可以發(fā)出超前或滯后無(wú)功,并將其并接在光伏電站附近,模擬電網(wǎng)無(wú)功負(fù)載的變化。該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在電站中進(jìn)行了試運(yùn)行和技術(shù)指標(biāo)考核,其主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)果如表1所示。為適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合,樣機(jī)設(shè)置了兩種工作模式:并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)模式和并網(wǎng)模式。并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)模式任意時(shí)刻都掛在電網(wǎng)上,除非電網(wǎng)故障,才與電網(wǎng)脫開(kāi);并網(wǎng)模式不具有無(wú)功補(bǔ)償功能,只是根據(jù)太陽(yáng)電池陣列輸出功率來(lái)決定并網(wǎng)或離網(wǎng)。由于晚上太陽(yáng)電池陣列輸出功率為零,若裝置夜間仍掛在網(wǎng)上,需從電網(wǎng)吸取能量,另外變壓器亦對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了無(wú)功電流,此情況對(duì)電網(wǎng)反而不利,因此,并網(wǎng)模式識(shí)別陣列電壓,自動(dòng)早晨運(yùn)行,傍晚停止,提高系統(tǒng)發(fā)電效率。PVPC裝置對(duì)電網(wǎng)末梢進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試線路如圖7所示,電網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸線可用電感來(lái)模擬,PVPC與電網(wǎng)連接點(diǎn)為A,負(fù)載為感性無(wú)功電流源。圖8(a)為電網(wǎng)上有感性無(wú)功負(fù)載、PVPC未投運(yùn)時(shí),連接點(diǎn)處電壓和交流電壓源輸出電流的變化波形,Ch1為交流電壓源相電流ie波形,Ch2為A點(diǎn)電壓降壓后整流電壓UA波形。先將無(wú)功負(fù)載投切到電網(wǎng),而PVPC裝置不運(yùn)行,連接點(diǎn)處電壓明顯下降,表明無(wú)功負(fù)載使電網(wǎng)傳輸線壓降增大。圖8(b)為突加無(wú)功負(fù)載時(shí),PVP