新能源發(fā)電技術(shù)課件：光伏發(fā)電控制技術(shù)

光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)本章內(nèi)容：光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略

光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)光伏電池端口特性曲線：端口電壓較低，光伏電池恒電流輸出，隨著端口電壓增大，輸出功率線性增大；端口電壓較高，光伏電池處于恒電壓工作模式，輸出功率開(kāi)始下降。當(dāng)前光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低，會(huì)顯著受到日照輻射量和溫度的影響；為有效提高光伏電池的運(yùn)行效率，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，傳統(tǒng)的MPPT優(yōu)化算法有：①定電壓跟蹤法、②擾動(dòng)觀察法、③導(dǎo)納增量法等光伏電池的輸出特性新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)的MPPT算法：工作原理：對(duì)于光伏電池，在同一溫度、不同光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)近似分布在一條恒定電壓線的附近，因此將其端口電壓控制為最大相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性功率點(diǎn)電壓，即得到不同光照強(qiáng)度下的近似最大功率。光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓Vm與開(kāi)路電壓Voc之間存在近似的比例關(guān)系：*

——取決于光伏電池的特性，通常取值為0.8。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)的MPPT算法：缺點(diǎn)：相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性未能考慮溫度變化；環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)跟蹤新的最大功率點(diǎn)，能量損耗增加，跟蹤效率降低。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法：在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上串聯(lián)輸出功率-電壓變化量判別環(huán)節(jié)：附加功率反饋的定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法流程圖端口電壓<Vm，dPv/(dV)<0，控制端口電壓增大；端口電壓>Vm，dPv/(dV)>0，控制端口電壓減??；dPv/(dV)=0時(shí)，搜尋到新的最大功率點(diǎn)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：最大功率點(diǎn)跟蹤精度差；跟蹤控制的適應(yīng)性差，對(duì)外界環(huán)境條件的變化不具有追蹤能力。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法：工作原理給予光伏電池初始的端口電壓,擾動(dòng)觀測(cè)法的基本搜尋邏輯示意對(duì)輸入電壓進(jìn)行有限變化，檢測(cè)輸出功率的變化大小和方向，進(jìn)一步對(duì)輸入電壓進(jìn)行有限變化，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池的自尋優(yōu)控制。特點(diǎn)：光伏電池的電壓步進(jìn)長(zhǎng)度決定了MPPT的追蹤效率和追蹤精度，電壓步進(jìn)長(zhǎng)度無(wú)限小促使MPPT無(wú)差，但會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程緩慢。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)工作點(diǎn)變?yōu)樽畲蠊β庶c(diǎn)，即Vp_1=Vm：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩。工作點(diǎn)偏移至最大功率點(diǎn)右側(cè)，即Vp_1>Vm：Pv_1>PvPv_1<PvPv_1=Pv擾動(dòng)觀測(cè)法的電壓振蕩情況1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1>Pv：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度大于負(fù)向電壓偏移幅度。擾動(dòng)觀測(cè)法的電壓振蕩情況2.1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1<Pv：光伏電池電壓進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp→Vp_2→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度小于負(fù)向電壓偏移幅度。擾動(dòng)觀測(cè)法的電壓振蕩情況2.2新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法：電壓振蕩情況(T1時(shí)刻，工作點(diǎn)電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1=Pv：振蕩模式與步進(jìn)判定規(guī)則有關(guān)：如果步進(jìn)判定規(guī)則設(shè)定光伏電池電壓：不再調(diào)整：未達(dá)到最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)MPPT；增大：則系統(tǒng)進(jìn)入類似于2.1和2.2中的三點(diǎn)振蕩狀態(tài)；減?。合到y(tǒng)進(jìn)入Vp→Vp_1→Vp的兩點(diǎn)振蕩狀態(tài)。缺點(diǎn)：存在判定速度和判定精度的矛盾以及判定振蕩的問(wèn)題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)二、擾動(dòng)觀測(cè)法變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法（基于變步長(zhǎng)的逐步逼近法）：工作原理在開(kāi)始搜索時(shí)，采用較大的步長(zhǎng)搜尋最大功率點(diǎn)所在區(qū)域，然后在每一次改變方向時(shí)將步長(zhǎng)縮小，如此循環(huán)，每一輪新的搜索都能成倍提升搜索精度，在未顯著增加搜索次數(shù)的前提下，搜索精度得到了指數(shù)形式提高。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法光伏電池MPPT策略通過(guò)搜索dPv/(dVp)=0的工作點(diǎn)，確定最大功率點(diǎn)，對(duì)輸出功率進(jìn)行全微分：則dPv/(dVp)可進(jìn)一步表示為：（判定其正負(fù)性的依據(jù)）當(dāng)dPv/(dVp)=0時(shí)，上式可寫為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法工作點(diǎn)判定依據(jù)：dIp/dVp與Ip/Vp的關(guān)系圖區(qū)別：導(dǎo)納增量法：用當(dāng)前狀態(tài)判斷，能鎖定最大功率點(diǎn)狀態(tài)；擾動(dòng)觀測(cè)法：用狀態(tài)趨勢(shì)判斷，不能鎖定最大功率點(diǎn)狀態(tài)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法特點(diǎn)：①控制效果好；②控制穩(wěn)定度高；③功率-電壓曲線不會(huì)因外界環(huán)境條件及時(shí)間變化而改變其單峰曲線的屬性，因此導(dǎo)納增量法無(wú)原理性誤差。導(dǎo)納增量法流程圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)本節(jié)內(nèi)容：基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略控制系統(tǒng)：①電壓外環(huán)控制；②電流內(nèi)環(huán)控制。并網(wǎng)變流器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的關(guān)系表達(dá)式為：并網(wǎng)變流器雙饋機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器相同問(wèn)題：①電流耦合；②電壓擾動(dòng)影響電流控制。①②新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略解決方案：①對(duì)d、q軸電流進(jìn)行解耦；②對(duì)電壓擾動(dòng)作前饋補(bǔ)償。帶解耦和擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾妷弘娏麟p閉環(huán)矢量控制框圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略通過(guò)直流母線電壓控制環(huán)節(jié)，得到并網(wǎng)電流參考矢量：并網(wǎng)變流器輸出電壓為：其中：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)點(diǎn)：有功/無(wú)功功率控制迅速、解耦；電能質(zhì)量?jī)?yōu)越。缺點(diǎn)：采用電流源控制，無(wú)法參與電網(wǎng)頻率及電壓支撐；采用電力電子器件并網(wǎng)導(dǎo)致缺乏一定的慣性，可能引發(fā)穩(wěn)定性問(wèn)題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略有功功率控制和頻率穩(wěn)定的虛擬轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可表示為：變流器無(wú)功功率控制采用無(wú)功-電壓下垂控制，電網(wǎng)電壓幅值可表示為并網(wǎng)變流器輸出電壓的相位角和幅值分別為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.2光伏發(fā)電運(yùn)行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的光伏系統(tǒng)運(yùn)行策略電網(wǎng)頻率支撐調(diào)整有功功率輸出電網(wǎng)電壓支撐調(diào)整無(wú)功功率輸出變流器電壓輸出相位和幅值由虛擬同步發(fā)電機(jī)的P、Q產(chǎn)生。基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)控制策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理光伏變流器與本地RLC負(fù)荷相連，當(dāng)電網(wǎng)接觸器(S1)斷開(kāi)瞬間，RLC上仍有電流，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)仍光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖有電壓。S1斷開(kāi)前，變流器、本地負(fù)載、電網(wǎng)的關(guān)系：S1斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。RLC為并聯(lián)支路，并網(wǎng)電壓和頻率均滿足：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理接觸器開(kāi)關(guān)瞬間前后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓分別滿足如下表達(dá)式：電網(wǎng)電壓作用光伏變流器作用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理因此，孤島運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值Vis、電壓頻率fis與Vg、fg的關(guān)系為：根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值和頻率可以檢測(cè)孤島運(yùn)行狀態(tài)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略孤島檢測(cè)方法通過(guò)電網(wǎng)與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的無(wú)線電通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)電網(wǎng)端的發(fā)送器發(fā)送信號(hào)，通過(guò)電力線路傳遞信息，用戶端的接收器檢測(cè)電網(wǎng)上是否有發(fā)生器發(fā)送的信號(hào)，如果沒(méi)有收到則認(rèn)為電網(wǎng)已經(jīng)斷開(kāi)。光伏變流器的局部反孤島策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法主動(dòng)式光伏檢測(cè)法新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法及檢測(cè)盲區(qū)過(guò)電壓/欠電壓孤島檢測(cè)法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值超出標(biāo)準(zhǔn)容許電壓范圍時(shí)，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機(jī)，實(shí)現(xiàn)反孤島運(yùn)行。檢測(cè)盲區(qū)并網(wǎng)變流器采用功率控制模式：并網(wǎng)變流器采用電流控制模式：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法及檢測(cè)盲區(qū)過(guò)頻/欠頻孤島檢測(cè)法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率超出標(biāo)準(zhǔn)容許頻率范圍時(shí)，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機(jī)，實(shí)現(xiàn)反孤島運(yùn)行。檢測(cè)盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒功率控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法及檢測(cè)盲區(qū)過(guò)頻/欠頻孤島檢測(cè)法檢測(cè)盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒電流控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法及檢測(cè)盲區(qū)相位跳變檢測(cè)法基本原理測(cè)量并網(wǎng)點(diǎn)電壓和變流器輸出電流之間的相位差值，當(dāng)相位差值大于定值，則判定系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。檢測(cè)盲區(qū)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略被動(dòng)式光伏檢測(cè)法及檢測(cè)盲區(qū)電壓諧波檢測(cè)法基本原理當(dāng)電網(wǎng)跳閘后，并網(wǎng)變流器的諧波電流在負(fù)載阻抗中形成諧波電壓，電壓畸變導(dǎo)致非線性負(fù)荷進(jìn)一步發(fā)射諧波電流，從而惡化并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量。檢測(cè)閾值設(shè)定困難。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測(cè)法基于頻率偏移的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方案基本原理光伏并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)注入略微畸變的電流，當(dāng)電網(wǎng)與變流器未斷開(kāi)時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)頻率不可改變，當(dāng)電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)，頻率產(chǎn)生持續(xù)的單向偏移，從而實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。主動(dòng)式頻率偏移法施加的電流波形新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測(cè)法基于頻率偏移的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方案基于頻率正反饋的主動(dòng)頻移反孤島策略將死區(qū)時(shí)間與交流周期的比值定義為死區(qū)分?jǐn)?shù)，每個(gè)周期的死區(qū)分?jǐn)?shù)由上一個(gè)周期的死區(qū)分?jǐn)?shù)和當(dāng)前變流器端電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率偏差共同決定，如：優(yōu)點(diǎn)(1)降低對(duì)電能質(zhì)量的影響；(2)減小檢測(cè)盲區(qū)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運(yùn)行策略主動(dòng)式光伏檢測(cè)法基于功率擾動(dòng)的主動(dòng)式孤島檢測(cè)方案基本原理周期性地改變光伏并網(wǎng)變流器的輸出功率，使其與電網(wǎng)斷開(kāi)后，輸出的有功功率與負(fù)荷有功功率關(guān)系平衡，從而使得并網(wǎng)電壓幅值越限。在變流器電流指令參考基礎(chǔ)上疊加電流干擾信號(hào)：當(dāng)變