【光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略設計及MATLAB仿真分析16000字】

[28]。虛擬同步機在離網(wǎng)運行時，微網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓和相位會出現(xiàn)一定偏差，在不恰當?shù)臅r刻并網(wǎng)會引起較大的沖擊電流。因此，在并網(wǎng)之前，必須對變流器輸出電壓的相位和幅值進行調(diào)整，直到其滿足與電網(wǎng)并網(wǎng)的條件時，才能夠閉合并網(wǎng)開關進行并網(wǎng)。因此，需要設計虛擬同步機的預并列單元來實現(xiàn)并網(wǎng)運行。當MGCC發(fā)出并網(wǎng)指令時，將微網(wǎng)的相應微源由孤島運行模式切換到預并列控制單元。在已設計調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器的基礎上，設計預并列控制單元，其中包括電壓幅值差控制單元和頻差控制單元。并網(wǎng)動作完成后，由VSG系統(tǒng)特性可知，整機輸出會被電網(wǎng)自動拉入同步，無需像傳統(tǒng)分布式電源的控制策略一樣，采用鎖相環(huán)與電網(wǎng)進行同步，一定程度上增強系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文預并列控制器采用的方法是在功頻控制器的基礎上加入相位控制量，通過調(diào)節(jié)機械功率輸出，調(diào)整輸出端電壓相位，當逆變器輸出電壓信號與電網(wǎng)電壓相位差和幅值差都減小到并網(wǎng)的允許值時，控制并網(wǎng)接觸器吸合完成并列動作。預并列控制電壓差控制，可以通過采用電網(wǎng)電壓作為參考電壓的方式來完成，加入相位控制的虛擬同步發(fā)電機功頻控制器如圖3.10所示。圖3.10預并列相位控制器其中分別為電網(wǎng)電壓瞬時值和逆變器輸出電壓瞬時值。經(jīng)過鎖相環(huán)后分別得到其相位值，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)機械功率。由虛擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運行方程可知，通過調(diào)節(jié)機械功率就能夠調(diào)節(jié)輸出電壓相位。在相位差和幅值差都小于一定值后，控制并網(wǎng)接觸器閉合，以完成并網(wǎng)。3.4本章小結(jié)本章主要對光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略進行了設計，首先分析了當前光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中常用的并網(wǎng)控制策略，闡述了當前這幾種常用方法的利與弊，并選擇了采用虛擬同步電機并網(wǎng)的方式來實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的并網(wǎng)。其次，為了避免并網(wǎng)并網(wǎng)過程中造成的電壓和電流沖擊，采用了相應的預并列控制，有效降低了并網(wǎng)瞬間的沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。第四章仿真設計通過上述章節(jié)的分析設計，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了可靠策略，但是為了驗證所設計控制策略的可靠性，還需要搭建相應的放在模型來對所設計的內(nèi)容進行驗證。為此本章將利用MATLAB搭建相應的仿真模型來驗證當光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時虛擬同步發(fā)電機控制策略能否實現(xiàn)預計性能，以及當光伏發(fā)電系統(tǒng)運行方式切換時，所設計的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)平滑過渡。4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真設計為了驗證虛擬同步發(fā)電機的調(diào)控性能，利用MATLAB搭建了相應的仿真模型，在仿真的設計過程中，利用VSG控制算法控制逆變器，并且根據(jù)實際情況來驗證這種控制策略的真實有效性，具體的仿真電路模型如圖4.1所示。圖4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路模型相比于傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)方式，虛擬同步發(fā)電機控制方式能夠在并網(wǎng)過程中，向電網(wǎng)輸入慣性，進而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了驗證在并網(wǎng)過程中，虛擬同步發(fā)電機是否能夠?qū)崿F(xiàn)慣性輸出，將利用搭建的仿真模型來對VSG慣性輸出特征進行仿真，具體仿真電路如圖4.2所示。圖4.2虛擬同步發(fā)電機本體方程仿真模型圖4.3所示的是VSG系統(tǒng)功頻控制器仿真電路模型，在仿真過程中，將借助該模型來實現(xiàn)VSG的電壓調(diào)節(jié)。圖4.4所示的是VSG系統(tǒng)勵磁電壓仿真電路，圖中的PhaseError信號表示本文逆變器的電壓相位和實際電網(wǎng)側(cè)的電壓相位誤差，在完成并網(wǎng)后，將斷開預并列控制。圖4.3虛擬同步發(fā)電機功頻控制器仿真圖圖4.4VSG系統(tǒng)勵磁電壓控制器本文預并列控制器采用的方法是在功頻控制器的基礎上加入相位控制量，通過調(diào)節(jié)機械功率輸出，調(diào)整輸出端電壓相位，當逆變器輸出電壓信號與電網(wǎng)電壓相位差和幅值差都減小到并網(wǎng)的允許值時，控制并網(wǎng)接觸器吸合完成并列動作。預并列控制電壓差控制，可以通過采用電網(wǎng)電壓作為參考電壓的方式來完成，加入相位控制的虛擬同步發(fā)電機功頻控制器如圖4.5所示。圖4.5預并列相位控制器其中分別為電網(wǎng)電壓瞬時值和逆變器輸出電壓瞬時值。經(jīng)過鎖相環(huán)后分別得到其相位值，經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)機械功率。由虛擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運行方程可知，通過調(diào)節(jié)機械功率就能夠調(diào)節(jié)輸出電壓相位。在相位差和幅值差都小于一定值后，控制并網(wǎng)接觸器閉合，以完成并網(wǎng)。4.2仿真分析在系統(tǒng)運行時，由VSG算法實現(xiàn)電壓和頻率的控制，在VSG控制時，設置虛擬同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量為，系統(tǒng)的機械功率給定值設置為2000W。在頻率調(diào)控仿真過程中，設置功頻的下垂系數(shù)R=0.000075Hz/W，在仿真的過程中，通過負載突增來影響系統(tǒng)的頻率，進而通過功頻控制器來對偏移的頻率進行調(diào)控。在0.65s時，將load2開關閉合，此時負載突然增加，必然導致頻率降低，如圖4.6中所示，在初始時刻，系統(tǒng)所帶負荷消耗有功功率為8kW，而在0.65s時，系統(tǒng)的負荷由8kW增加到12kW，在沒有相應的調(diào)節(jié)措施下，系統(tǒng)的頻率直接從50Hz，直接降低到49.7Hz，降低了0.3Hz，偏離了允許的運行范圍。在通過功頻控制器的調(diào)節(jié)作用，跌落的頻率明顯回升，從49.7Hz上調(diào)到49.85Hz，調(diào)節(jié)效果明顯，有效地抑制了負荷變化時，頻率大范圍的波動情況。為了驗證不同的調(diào)差系數(shù)對頻率調(diào)節(jié)效果的影響，本文分別采用調(diào)差系數(shù)R=0.000050Hz/W、0.000075Hz/W、0.00010Hz/W三個值進行仿真，如圖4.6所示，從圖中可以看出隨著調(diào)差系數(shù)的越小，頻率的調(diào)節(jié)效果越好。圖4.6不同調(diào)差系數(shù)對頻率調(diào)節(jié)的影響為了驗證本文所設計的虛擬同步發(fā)電機控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功和電壓的調(diào)控，利用MATLAB搭建了相應的仿真。在初始時刻設置，虛擬同步發(fā)電機未并網(wǎng)運行，此時負荷突然增加，系統(tǒng)的電壓變化情況如圖4.7所示，由圖可知，load2并網(wǎng)后，系統(tǒng)突增無功負荷4000Var，此時的電壓有220V突然降低到217.5V。設置虛擬同步發(fā)電機勵磁電壓控制器的調(diào)差系數(shù)為0.00032V/Var，在虛擬同步發(fā)電機并網(wǎng)運行后，在其調(diào)控作用下，從圖中可以看出，此時電壓由原先下跌到217.5V回升到219.2V，有效地抑制了負荷變化時電壓較大范圍的波動。為了研究不同的調(diào)差系數(shù)對電壓調(diào)節(jié)的影響，將采用調(diào)差系數(shù)分別為為0.00032V/Var、0.00064V/Var以及0.00096V/Var進行仿真，從圖中可以看出，隨著調(diào)差系數(shù)的逐漸降低，補償?shù)男Ч胶?，和前文的理論研究相符合，為此在實際的工程中，可以根據(jù)情況來對調(diào)差系數(shù)進行設置，對改善光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性具有重要作用。圖4.7不同取值下補償后電網(wǎng)電壓跌落在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行后，為了驗證所設計的算法可靠性，針對仿真進行分析，此時的電流波形曲線如圖4.8所示，在并網(wǎng)瞬間，電流增加，但是并網(wǎng)過程較為平滑，而電壓沒有相應的波動產(chǎn)生，整體較為平滑，具體如圖4.9所示。圖4.8并網(wǎng)時A相輸出電流的波動圖4.9并網(wǎng)時A相電壓波形4.3本章小結(jié)本章重點采用matlab對光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)環(huán)節(jié)進行了設計，并分析了相應的仿真結(jié)果。首先利用matlab搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的虛擬同步電機并網(wǎng)模型，利用虛擬同步電機的控制，不僅有效實現(xiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電壓和頻率的調(diào)節(jié)，還通過預并列控制，有效抑制了并網(wǎng)瞬間的電壓和電流沖擊。結(jié)論相對于煤炭、石油等不可再生資源來說，新能源具有可持續(xù)、清潔、高效等特征，而光伏是新能源領域的重要應用內(nèi)容，可將太陽能直接轉(zhuǎn)換成人們使用的電能，近年來逐漸受到世界各國的重點關注和推廣。在光伏發(fā)電的過程中，為了提高發(fā)電效率，本文設計了最大功率跟蹤算法，使得光伏電池始終運行在最大功率點，同時在并網(wǎng)過程中，設計了虛擬同步電機并網(wǎng)控制算法，不僅有效實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率調(diào)節(jié)，還避免了系統(tǒng)在并網(wǎng)瞬間的電壓和電流沖擊。具體的研究內(nèi)容如下：（1）對光伏陣列的運行特征進行了分析，并選擇了合適的最大功率跟蹤算法。在研究的過程中，首先通過輸入和輸出特性，建立相應的數(shù)學模型，并基于該數(shù)學模型，分析在不同的溫度和光照強度下光伏輸出的特征，接著，分析最大功率跟蹤的算法原理，并選擇采用電導增量法作為本文的最大功率跟蹤算法。（2）對光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略進行了設計，首先分析了當前光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)過程中常用的并網(wǎng)控制策略，闡述了當前這幾種常用方法的利與弊，并選擇了采用虛擬同步電機并網(wǎng)的方式來實現(xiàn)光伏并網(wǎng)的并網(wǎng)。其次，為了避免并網(wǎng)過程中造成的電壓和電流沖擊，采用了相應的預并列控制，有效降低了并網(wǎng)瞬間的沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性。（3）采用matlab對光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)環(huán)節(jié)進行了設計，并分析了相應的仿真結(jié)果。首先利用matlab搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的虛擬同步電機并網(wǎng)模型，利用虛擬同步電機的控制，不僅有效實現(xiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電壓和頻率的調(diào)節(jié)，還通過預并列控制，有效抑制了并網(wǎng)瞬間的電壓和電流沖擊。參考文獻[1]李晶,竇偉,徐正國,等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤算法的研究[J].太陽能學報,2007,28(3):268-273.[2]曹祖亮,王斌,王帥.光伏發(fā)電系統(tǒng)及其最大功率點跟蹤控制方法比較[J].廣東電力,2010,23(6):16-19.[3]MasoumMAS,DehboneiH,FuchsEF.Theoreticalandexperimentalanalysesofphotovoltaicsystemswithvoltageandcurrent-basedmaximumpower-pointtracking[J].Energyconversion,IEEEtransactionson,2002,17(4):514-522.[4]TaftichtT,AgbossouK,DoumbiaML,etal.Animprovedmaximumpowerpointtrackingmethodforphotovoltaicsystems[J].RenewableEnergy,2008,33(7):1508-1516.[5]LotfiKhemissi,BrahimKhiari,RidhaAndoulsi,etal.Lowcostandhighefficiencyofsinglephasephotovoltaicsystembasedonmicrocontroller[J].SolarEnergy,2012,86(8):1129-1141.[6]葛麗芳.基于固定電壓法的太陽能電池MPPT控制芯片[D].浙江大學,2008.[7]張樺,謝開貴.基于PSCAD的光伏電站仿真與分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(7):1848-1852.[8]邱培春,葛寶明,畢大強.基于擾動觀察和二次插值的光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2011,39(4):62-67.[9]FemiaN,PetroneG,SpagnuoloG,etal.Optimizationofperturbandobservemaximumpowerpointtrackingmethod[J].PowerElectronics,IEEETransactionson,2005,20(4):963-973.[10]徐鵬威,劉飛,劉邦銀,等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術(shù),2007,41(5):3-5.[11]冀捐灶,周偉,肖強.基于改進擾動觀察法的光伏陣列MPPT研究[J].電力電子技術(shù),2012,46(8):29-31.[12]趙宇,王慧芳,王曉保,等.基于增量因子的后備保護在線整定方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(1):269-275.[13]Safari,Azadeh,Mekhilef.SimulationandhardwareimplementationofincrementalconductanceMPPTwithdirectcontrolmethodusingcukconverter[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2011,58(4):1154-1161.[14]李嵐,佟軼.光伏發(fā)電中光伏電池變步長導納增量法最大功率追蹤[J].電氣技術(shù),2012,06:37-40.[15]劉琳,陶順,鄭建輝,等.基于最優(yōu)梯度的滯環(huán)比較光伏最大功率點跟蹤算法[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(8):56-61.[16]HuiZhang,HongweiZhou,JingRen,etal.Three-phasegrid-connectedphotovoltaicsystemwithSVPWMcurrentcontroller[C]//2009IEEE6thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference,IPEMC'09,Wuhan,China,2009,2161-2164.[17]ZhangBin,WangDanwei,ZhouKeliang,etal.LinearphaseleadcompensationrepetitivecontrolofaCVCFPWMinverter[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008,55(4):1595-1602.[18]SalasV,OliasE,BarradoA,etal.Reviewofthemaximumpowerpointtrackingalgorithmsforstand-alonephotovoltaicsystems[J].SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2006,90(11):1555-1578.[19]ChaoKuei-Hsiang,LiChingJu,WangMeng-Huei.AmaximumpowerpointtrackingmethodbasedonextensionneuralnetworkforPVsystems[C]//6thInternationalSymposiumonNeuralNetworks,ISNN2009,WuHan,China,2009,745-755.[20]AnithaSD,BerclinJeyaPrabhaS.Artificialneuralnetworkbasedmaximumpowerpointtrackerforphotovoltaicsystem[C]//InternationalConferenceonSustainableEnergyandIntelligentSystems,SEISCON2011,2011,Chennai,India,130-136.[21]劉立群,王志新,張華強.部分遮蔽光伏發(fā)電系統(tǒng)模糊免疫MPPT控制[J].電力自動化設備,2010,30(7):96-100.[22]吳海濤,孫以澤,孟婥.粒子群優(yōu)化模糊控制器在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤中的應用[J].中國電機工程學報,2011,31(6):52-57.[23]張超,何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏發(fā)電MPPT中的應用[J].電工技術(shù)學報,2005,20(10):72-77.[24]胡義華,陳昊,徐瑞東,等.一種兩階段變步長最大功率點控制策略[J].電工技術(shù)學報,2010,25(8):161-166.[25]彭韜,丁坤,劉海皓,等.局部陰影下光伏陣列全局MPPT控制