基于無差拍算法的單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究

艾淑云，翟登輝，李獻偉，王 毅

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京100192;2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000)

0 引言

在能源緊缺、環(huán)境惡化的今天，太陽能以其無污染、可再生、取之不盡等獨有的優(yōu)勢成為研究的焦點。光伏發(fā)電必將從補充能源向替代能源過渡。近年來，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)以及新能源應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為光伏發(fā)電技術(shù)的研究熱點，其應(yīng)用范圍越來越大，是光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢。而光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能就是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)的并網(wǎng)運行，因此并網(wǎng)逆變器效率的高低、性能的優(yōu)劣以及環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)將直接影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和投資。

本文以單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，對其關(guān)鍵技術(shù)進行深入分析，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗證了基于無差拍算法的電壓電流雙閉環(huán)控制策略以及MPPT算法的可行性和有效性，最后在3 kW單相光伏并網(wǎng)逆變器的樣機上進行了試驗驗證。結(jié)果表明，無差拍控制算法的逆變器不僅逆變電流THD較低、系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，而且實現(xiàn)了逆變電流的單位功率因數(shù)并網(wǎng)運行。

1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1所示，該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是工頻隔離型單級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，電容C1起到穩(wěn)定直流電壓的作用，逆變橋輸出電流經(jīng)LC濾波后通過隔離變壓器升壓并入電網(wǎng)。UAB為逆變橋的輸出電壓，L為濾波電感，Unet為電網(wǎng)電壓，i為并網(wǎng)電流，它們之間滿足以下關(guān)系:

2 關(guān)鍵技術(shù)

圖2為單相并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制［1，2］策略，其中外環(huán)為直流電壓環(huán)，采用PI控制器，用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓;內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流環(huán)，用于實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行，控制器采用無差拍控制，能夠?qū)崿F(xiàn)無差跟蹤，具有良好的動態(tài)性能。

圖1 單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2 基于無差拍控制的雙閉環(huán)控制原理圖

下面對并網(wǎng)逆變器中的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

2.1 MPPT 算法

最大功率點跟蹤(簡稱MPPT)是指系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤光伏電池輸出的最大功率。目前常用的算法有電導(dǎo)增量法、CVT法、擾動觀測法以及模糊控制法［3］等。

本文對傳統(tǒng)擾動觀測法進行改進來實現(xiàn)MPPT，具體方法是:逆變器初始工作時，光伏陣列的電壓為開路電壓Uoc，此時在P-V曲線的右側(cè)，因此，初始跟蹤時，不用進行擾動方向判斷，而直接進行－step的擾動，為使跟蹤速度快，此時步長step較大;當(dāng)電壓達到0.85Upv時，再轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)擾動觀測法進行擾動，為了保證跟蹤精度好和最大功率點波動較小，此時步長step應(yīng)取小。該算法避免了傳統(tǒng)的擾動觀測法因初始擾動方向判斷錯誤而導(dǎo)致的不跟蹤現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 無差拍控制原理

由圖1可知，逆變器工作時的差分方程［4］為:

無差拍算法的原理是在開關(guān)周期的開始時刻，采集并網(wǎng)電流i(k)，利用開關(guān)周期Ts內(nèi)的電網(wǎng)電壓平均值(k)以及已知的k+1時刻參考電流iref(k+1)來計算橋側(cè)輸出電壓(k)，計算出占空比D(k)大小，從而確定開關(guān)器件的通斷時刻。

3 仿真模型

根據(jù)圖2建立基于無差拍控制算法的雙閉環(huán)控制的Matlab仿真模型，如圖3所示。

圖3 基于無差拍算法的雙閉環(huán)控制仿真模型

無差拍控制算法由S-Function編寫，該模塊輸入分別為并網(wǎng)電流i(k)、三角載波、k+1時刻的電流參考值iref(k+1)、電網(wǎng)電壓瞬時值Unet;輸出為PWM脈沖信號。

4 仿真結(jié)果

4.1 光照不變

圖4為光照不變時的測試結(jié)果，表明電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器使Upv能實時跟蹤參考電壓U*pv，實現(xiàn)了直流電壓的穩(wěn)定控制，波動幅值較小。此時的電網(wǎng)電壓與逆變電流波形如圖5，并網(wǎng)電流與參考電流波形如圖6。

圖4 光照不變時參考電壓U*pv與直流側(cè)電壓Upv

圖5 電網(wǎng)電壓和逆變電流

圖6 并網(wǎng)電流與參考電流

4.2 光照變化

圖7為光照變化時的測試結(jié)果，仿真時間為［0 0.2 0.4］，光照強度依次設(shè)置為1 000 Lux、800 Lux和600 Lux，圖7表明直流側(cè)電壓也跟著光照變化而變化，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快。

圖7 光照變化時參考電壓與直流側(cè)電壓Upv

5 樣機試驗

研制了額定功率3 kW的光伏并網(wǎng)逆變器樣機，主控制器采用TI公司的TMS320F28335芯片，該芯片主頻150 MHz，支持浮點運算，用于產(chǎn)生PWM脈沖、AD采樣及各種軟件保護等，濾波電感L=1.2 mH，濾波電容C=2 μF。實際電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形如圖8所示。

圖8 實際電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流

6 結(jié)論

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的Matlab仿真結(jié)果和3 kW并網(wǎng)逆變器樣機的試驗表明，基于無差拍算法的雙閉環(huán)控制策略是可行的，在保證系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應(yīng)特性的同時，也實現(xiàn)了逆變電流的無靜差跟蹤參考電流以及較低的電流總諧波畸變率;另外，基于改進擾動觀測法的MPPT跟蹤效果好，速度快，避免了傳統(tǒng)擾動觀測法因初始擾動方向判斷錯誤而導(dǎo)致不跟蹤現(xiàn)象的發(fā)生。

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