光伏并網功率調節(jié)系統的研究

光伏并網功率調節(jié)系統的研究

0光伏并網功率調節(jié)系統在弱電壓的末端，負載失能和波形對能的質量傳輸的影響比中心電網嚴重。有幾種方法可以補償和抑制電網的無影響補償和波形。采用源濾波（apf）和源濾波，對不有效的電流補償和波形進行了控制。因為它在許多地方都是有效的。光伏并網發(fā)電系統可以廣泛分布于電網各處,包括電網虛弱的末梢,其并網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電流與電網電壓同相位,即保證功率因數為1。要讓其發(fā)出無功電流也很方便,兩者如果結合,則可以實現有功發(fā)電和無功補償的統一控制。三相有源無功補償裝置的主電路拓撲與三相并網逆變電源主電路拓撲完全一致,并網發(fā)電的有功電流與電網電壓同相,其來源于母線直流電壓的調節(jié)控制;電網的無功補償電流與電網電壓矢量成90°,其來源于電網無功電流的測量。如果將并網指令電流與無功指令電流合成,系統跟蹤該合成指令電流,則可以實現發(fā)電和無功補償的統一控制。因此,在合理的控制策略支持下,可以將并網發(fā)電和無功補償控制功能合為一體,對于該一體化裝置,稱之為光伏并網功率調節(jié)(photovoltaicpowerconditioner,PVPC)系統。PVPC系統綜合考慮了清潔能源的利用和電網電能質量的提高,以電力電子技術為基礎,將光伏并網的發(fā)電控制與無功補償、有源濾波控制相結合,不僅可以有效地進行光伏發(fā)電、提高供電質量和減少功率損耗,而且可以節(jié)省相應設備的投資,拓寬了光伏并網發(fā)電的應用范圍。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功率調節(jié)系統中,認為三相電網電壓波形對稱。太陽電池陣列將太陽輻射能轉換為直流電能,PVPC裝置將直流電能轉換為交流電能,并將其饋送電網。白天,PVPC除了向市電提供對應于光伏陣列輸出功率的有功功率外,還可提供部分負載所需的無功功率;夜晚,PVPC則只需從市電吸收小量的有功電能維持系統正常運行,完全變?yōu)橛性礊V波和無功補償裝置掛接于電網。PVPC系統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拓撲結構,與并聯APF拓撲結構類似。太陽電池陣列輸出直流電壓,經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向太陽電池陣列反灌電能。逆變橋的交流側經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。為方便分析,將圖1中變壓器輸出等效為電網,忽略該交流電網內阻,電抗器的電阻與PVPC內阻等效為R,其a相等效電路及主回路的動態(tài)結構圖如圖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a相電壓ea的相量。由圖2(a)得主回路的傳遞函數Ga(S)為式中:τa為時間常數;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運行在第一象限,電路工作在逆變狀態(tài),從直流側向交流側傳輸能量,并網電能含有容性無功功率。此狀態(tài)反映的是白天太陽電池陣列輸出電能饋入電網,同時PVPC提供容性無功。圖3(b)中,UaO滯后Ea,Ia運行在第二象限,電路工作在整流狀態(tài),電路吸收有功電能,同時向電網送出容性無功功率,此種狀態(tài)反映的是夜晚太陽電池陣列輸出功率為零,PVPC提供容性無功。圖3(c)中,UaO超前Ea,Ia運行在第四象限,電路工作在逆變狀態(tài),從直流側向交流側傳輸能量,電路向電網送出感性無功功率,此狀態(tài)反映的是白天太陽電池陣列輸出功率饋入電網,PVPC提供感性無功。圖3(d)中,UaO滯后Ea,Ia運行在第三象限,電路工作在整流狀態(tài),吸收有功電能,同時向電網送出感性無功功率,此狀態(tài)反映的是夜晚太陽電池陣列輸出功率為零,PVPC提供感性無功。PVPC系統的直流母線電壓必須穩(wěn)定,太陽電池陣列和交流電網都可以提供電能穩(wěn)定母線電壓,因此其母線電流是可以雙向流動控制的,系統的直流電壓調節(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無功電流和電壓檢測瞬時無功電流的檢測方法有多種,如文獻提出了FFT算法,實現非整數次諧波的精確檢測。本系統主要補償負載中的無功分量,采用基于三相瞬時無功功率理論瞬時無功電流的檢測方法,變換公式簡單,易于DSP實現,保證了系統對無功補償的快速反應。關于瞬時無功功率理論及無功電流檢測的推導過程可參見文獻。設三相電網電壓對稱,且為正序。根據圖2(a)所示的電流參考方向,如果檢測負載電流ia、ib、ic中的無功和諧波分量,可計算實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旋轉坐標系下的基波有功直流分量。將被檢測電流ia、ib、ic與其基波有功電流分量相減,即可獲PVPC的無功與諧波補償電流指令為2.2最大功率跟蹤控制太陽電池陣列的伏安特性具有強烈的非線性,其隨日照強度和結溫而變化,由其伏安特性也可以得到U-P特性,如圖4所示,該形狀呈現如下特征:①對應太陽電池陣列電壓,太陽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在功率最大點兩側,U-P曲線是單調遞增或單調遞減的。從功率對電壓的導數方面理解,在最大功率點處,dP/dU=0;在最大功率點的左側,始終有dP/dU>0,U增加,P也增加;在最大功率點的右側,始終有dP/dU<0,U減小,P反而增加。系統發(fā)電控制的目標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的電壓Um處,在光伏系統中稱為最大功率跟蹤。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方式較為簡單實用,其原理是認為太陽電池陣列的最大功率點電壓Um在一定日照強度和溫度范圍內變化不大,可以使系統光伏陣列電壓穩(wěn)定在Um附近不變,即實現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)為電壓調節(jié)器,控制直流母線電壓Udc跟蹤指令,其輸出為并網電流的有功分量指令,功率控制環(huán)節(jié)為并網電流的跟蹤控制實現,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采樣計算得到陣列輸出功率P,經過功率微分環(huán)節(jié),獲得搜索方向S。對S進行積分來確定指令電壓,積分系數k可以控制搜索速度。系統最終穩(wěn)定于dP/dUdc=0處,即最大功率點Um處。由于P-U特性曲線在Um處較為平坦,且系統受到變量采樣精度的限制,會在Um附近擺動,其擺動幅度受采樣精度與積分系數k的影響。在設計系統的控制方案時,應考慮到盡量減少跟蹤給定電壓的波動幅度。2.3電流環(huán)跟蹤控制并網功率控制涉及到并網有功電流指令和無功電流指令的產生,并網有功電流指令來源于圖5中的CVT環(huán)節(jié)輸出,最大功率跟蹤的結果可以搜尋到光伏陣列最大功率點,并促使系統的并網電流在當前日照下達到最大值。無功電流指令來源于電網的瞬時無功檢測環(huán)節(jié),其相位與電網中無功電流相位相反,旨在抵消負載無功電流對電網影響。并網有功電流是與電網電壓同步的正弦信號,則PVPC系統瞬時并網電流有功分量指令(j=a、b、c)表達式為PVPC系統的無功與諧波補償電流指令為式(3)(j=a、b、c),系統并網電流為兩電流分量的合成,將式(3)和式(8)相加,則可得PVPC系統瞬時并網電流指令(j=a、b、c)如下:系統并網指令電流的跟蹤采用SPWM閉環(huán)控制方式,電流環(huán)調節(jié)器Gc(s)采用比例控制。該電流環(huán)調節(jié)器的輸出uc為按正弦規(guī)律變換的一系列脈沖,經電壓放大到驅動主電路功率開關管,形成三相橋逆變電壓UjO(j=a、b、c)。SPWM脈寬調制驅動及主電路的電壓增益相當于比例環(huán)節(jié),用Kw表示,逆變橋電路相當于一個慣性環(huán)節(jié),二者的傳遞函數統一表示為Gw(s)=Kw/(τSs+1),其中滯后時間τS與SPWM波形的載波周期Ts相等。結合主回路的動態(tài)結構圖2(b),可得電流內環(huán)控制框圖如圖6所示。在逆變器并網啟動的短時間內,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大并超過90°,這樣系統就會處于吸收電網電能狀態(tài),電網反向對直流側電容充電,導致電容電壓升高,如果短時間內不能控制電流跟蹤相差,則會造成系統的過壓保護動作。因此,圖6中需要加入電網電壓的前饋控制,以改善實際跟蹤指令電流的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。3測試指標及方法系統的實驗樣機設計容量為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,地點在合肥工業(yè)大學校內逸夫科技樓頂,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,直流母線最高電壓可達760V。為驗證該實驗樣機的運行效果和功能實現,同時研制了30kVA的有源無功發(fā)生裝置SVG,可以發(fā)出超前或滯后無功,并將其并接在光伏電站附近,模擬電網無功負載的變化。該實驗樣機在電站中進行了試運行和技術指標考核,其主要技術指標結果如表1所示。為適應不同應用場合,樣機設置了兩種工作模式:并網功率調節(jié)模式和并網模式。并網功率調節(jié)模式任意時刻都掛在電網上,除非電網故障,才與電網脫開;并網模式不具有無功補償功能,只是根據太陽電池陣列輸出功率來決定并網或離網。由于晚上太陽電池陣列輸出功率為零,若裝置夜間仍掛在網上,需從電網吸取能量,另外變壓器亦對電網產生了無功電流,此情況對電網反而不利,因此,并網模式識別陣列電壓,自動早晨運行,傍晚停止,提高系統發(fā)電效率。PVPC裝置對電網末梢進行無功補償的測試線路如圖7所示,電網的長傳輸線可用電感來模擬,PVPC與電網連接點為A,負載為感性無功電流源。圖8(a)為電網上有感性無功負載、PVPC未投運時,連接點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點電壓降壓后整流電壓UA波形。先將無功負載投切到電網,而PVPC裝置不運行,連接點處電壓明顯下降,表明無功負載使電網傳輸線壓降增大。圖8(b)為突加無功負載時,PVP