胡月,沈安文,譚海青
(華中科技大學(xué)自動化學(xué)院,湖北武漢430074)
隨著光伏并網(wǎng)技術(shù)的研究和發(fā)展,建筑集成式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)(building integrated photovoltaic system,BIPV)在分布式電網(wǎng)的應(yīng)用越來越廣泛。大多數(shù)單相光伏逆變系統(tǒng)的控制集中在使逆變器輸出單位功率因數(shù),從而最大幅度地提高并網(wǎng)效率[1-2]。但為了使電網(wǎng)更大限度地接納光伏逆變器,具有如低電壓穿越,無功補(bǔ)償?shù)容o助功能的光伏逆變器將成為下一代光伏逆變器的研究熱點(diǎn)[3-4]。
要有效地調(diào)節(jié)逆變器輸出的有功和無功,關(guān)鍵技術(shù)在于負(fù)載的無功檢測,電網(wǎng)電流的控制等。目前常用的技術(shù)是將三相無功功率理論的思想擴(kuò)展到單相來構(gòu)造虛擬的兩相或者三相電路,其構(gòu)造方法決定了檢測的實(shí)時(shí)性。大多數(shù)學(xué)者采用將負(fù)載電流延時(shí)90°來構(gòu)造負(fù)載虛擬相電流,但這將導(dǎo)致一個(gè)較大的延時(shí),影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)[5]。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于離散傅里葉變換的鎖相環(huán)法來獲得更為精確的無功補(bǔ)償效果,但會導(dǎo)致運(yùn)算復(fù)雜,對控制器要求高。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于基波分離的諧波電流檢測法,雖然其能通過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算分離出基波有功和基波無功,但當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí),影響測量精度。本文提出了一種基于正弦信號積分器的參考電流發(fā)生法來構(gòu)造虛擬兩相電流,克服了傳統(tǒng)方法帶來的延時(shí)。結(jié)合瞬時(shí)無功功率理論,來產(chǎn)生有功電流信號和無功電流信號,實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的有功功率控制及無功補(bǔ)償??刂葡到y(tǒng)采用經(jīng)典的雙閉環(huán)控制,外環(huán)PI控制保持了母線電壓穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)采用準(zhǔn)比例諧振控制器,實(shí)現(xiàn)了電流的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤。
本文提出的光伏并網(wǎng)逆變器的電路原理圖如圖1所示。并網(wǎng)逆變器由前級DC/DC升壓環(huán)節(jié)和后級逆變環(huán)節(jié)組成。DC/DC環(huán)節(jié)采用Boost升壓電路,后級逆變環(huán)節(jié)利用軟件鎖相、單極性SPWM調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了逆變并網(wǎng)和無功補(bǔ)償。
圖1 光伏并網(wǎng)逆變器Fig.1 Photovoltaic grid-connected inverter
太陽能陣列作為直流源輸入,其V—I和P—V特性隨光照和溫度變化,表現(xiàn)出極大的非線性。因此,本文采用變導(dǎo)增量法來找出最大功率點(diǎn)對應(yīng)的工作電壓,并采用雙閉環(huán)控制來控制母線電壓和并網(wǎng)電流。
由功率平衡,通過控制并網(wǎng)電流的有功的大小和方向,可以控制直流母線電壓穩(wěn)定。電壓調(diào)節(jié)輸出有功指令電流,通過檢測負(fù)載上的電流,轉(zhuǎn)換得到無功補(bǔ)償分量指令電流。將二者相結(jié)合,得到最終并網(wǎng)的指令電流。再通過電流內(nèi)環(huán)的控制,即可實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和并網(wǎng)發(fā)電。光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。
圖2 光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Photovoltaic grid-connected power control block diagram
為了得到負(fù)載無功電流,將瞬時(shí)無功功率理論運(yùn)用到單相系統(tǒng),需要構(gòu)造正交的兩相電流。本文提出了一種正弦信號積分器,來得到兩相正交的電流,克服了傳統(tǒng)移相檢測帶來的延時(shí),如圖3所示。
圖3 正弦信號積分器Fig.3 Sinusoidal signal integrator
圖3中閉環(huán)傳遞函數(shù)(Hα=iL1α/iL和Hβ=iL1β/iL)如下:
式(1)和式(2)中的相角關(guān)系:
假設(shè)負(fù)載電流信號為
式中:ω0為電網(wǎng)基波頻率;ILk為第k次諧波電流的均方根值;θk為第k次諧波電流的初始相角。
經(jīng)過正弦信號積分器后,得到負(fù)載在兩相坐標(biāo)軸上的電流分別為
電網(wǎng)電壓經(jīng)過鎖相環(huán)可以得到其單位正余弦信號V1α=sin(ω0t),V1β=cos(ω0t)。由基于瞬時(shí)無功功率理論諧波電流檢測ip-iq法,可得:
其中
由瞬時(shí)無功理論可知,ILp和ILq分別為負(fù)載電流在基波頻率處有功分量的幅值和無功電流分量的幅值,經(jīng)過低通濾波器可分離出該直流量,得到無功電流的參考幅值即
為了保持母線電壓穩(wěn)定,電壓外環(huán)采用PI控制。給定參考電壓U*dc和母線電壓Udc的誤差eu作為PI控制器的輸入,則有功參考電流的幅值Idc大小如下:
將有功電流分量Idc和無功電流分量ILq通過坐標(biāo)反變換可得到兩相的參考電流如下:
其中
為了克服傳統(tǒng)PI 控制器在跟蹤交流信號時(shí)存在靜態(tài)誤差的缺點(diǎn),本文中系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)采用準(zhǔn)比例諧振(proportional resonant,QPR)控制,使得控制信號在電網(wǎng)基頻處產(chǎn)生足夠大的增益,實(shí)現(xiàn)正弦給定下的無靜差控制,同時(shí)可以減小電網(wǎng)電壓頻率波動的影響。其傳遞函數(shù)表示為
式中:Ki為諧振系數(shù);Kp為比例系數(shù);ω0為諧振頻率;ωc為帶寬。
|G(s) |在ω0處達(dá)到其最大增益,調(diào)整Ki和ωc可使其控制器有較高的品質(zhì)因素,且選取適當(dāng)?shù)摩豤可使控制器在非基頻處增益增加,減小電網(wǎng)頻率變化對控制器性能的影響。
為了獲取適當(dāng)?shù)腒i,Kp,ωc,通過Bode 圖來分別考察每一個(gè)參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。
當(dāng)Kp=0,ωc=1時(shí),改變Ki不會改變控制器的帶寬,Ki增大時(shí),諧振控制器的增益增加。如圖4a所示。當(dāng)Kp=0,Ki=1時(shí),改變ωc系統(tǒng)的幅值相位都會改變。ωc增大時(shí),諧振控制器的增益和相位都增加,但在諧振頻率處的增益大小恒定。如圖4b所示。
圖4 準(zhǔn)比例諧振控制器頻率響應(yīng)Fig.4 Frequency responses of non-ideal PR controller
同理,當(dāng)Ki,ωc不變,Kp增加時(shí)控制器的幅值增加,并在諧振頻率處取得峰值,系統(tǒng)的相角裕度減小。這意味著Kp增大,可使諧波的含量減小。選擇適當(dāng)?shù)腒p可以使系統(tǒng)準(zhǔn)確地追蹤正弦信號,同時(shí)抗干擾。
綜合考慮之后,本文選擇控制器Kp=12,Ki=90,ωc=4。
在前文理論分析的基礎(chǔ)上,搭建基于Saber的仿真平臺,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。主要參數(shù)為:電網(wǎng)電壓有效值220 V頻率,50 Hz,直流母線電壓400 V,Boost電感1.1 mH,直流側(cè)電容2 000 μF,輸出側(cè)濾波電感2 mH,輸出側(cè)濾波電容1 μF,采用阻感負(fù)載ZL=26.94+j15.55。
分別在不同的光照強(qiáng)度下研究無功補(bǔ)償?shù)男Ч?。圖5a 是在光照強(qiáng)度為1 000 W/m2時(shí)系統(tǒng)帶阻感負(fù)載的輸出波形。其中,Ig為電網(wǎng)電流,Is為逆變輸出電流,Vs為電網(wǎng)電壓。逆變器輸出電流超前電網(wǎng)電壓,電網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。可知在光照充分時(shí),逆變器完全補(bǔ)償了負(fù)載的無功,又把多余的電能饋送給電網(wǎng)。測得電網(wǎng)電流THD 為2.108%和逆變電流的THD為1.597%,滿足并網(wǎng)要求。
圖5b 是在光照強(qiáng)度為10 W/m2時(shí)系統(tǒng)帶阻感負(fù)載的輸出波形。其中,Ig為電網(wǎng)電流,Is為逆變輸出電流,Vs為電網(wǎng)電壓。電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓相角相差180°,逆變電流滯后電網(wǎng)電壓接近90°??芍诠庹詹怀浞值那闆r下,逆變器完全補(bǔ)償負(fù)載的無功,不足的有功部分由電網(wǎng)提供。測得電網(wǎng)電流THD 為2.693%,逆變電流的THD為2.896%,滿足并網(wǎng)要求。
圖5 無功補(bǔ)償輸出波形Fig.5 Reactive power compensation waveforms
為了驗(yàn)證無功補(bǔ)償算法的可靠性,采用了帶光伏陣列仿真功能的CHROMA公司的程控直流電源62150H-600s模擬太陽能輸出,在3 kW單相光伏逆變器平臺上展開了實(shí)驗(yàn)研究??刂菩酒捎胐sPIC33F506,負(fù)載為阻感負(fù)載。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示,逆變電流滯后電網(wǎng)電壓,電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相,電網(wǎng)電流畸變小于3%,光伏逆變器準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償和有功控制。
圖6 單相光伏逆變器無功補(bǔ)償輸出波形Fig.6 Reactive power compensation output waveforms of single-phase photovoltaic inverter
本文提出了一種基于正弦信號積分器的無功電流檢測法,克服了傳統(tǒng)方法在構(gòu)造虛擬相電流的電流時(shí)會產(chǎn)生相位延時(shí)的問題,實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償和有功控制。而增加無功補(bǔ)償功能會增大逆變器輸出電流,因此要在其允許范圍內(nèi)進(jìn)行無功補(bǔ)償,避免超過逆變器輸出的最大電流。PI 外環(huán)使母線電壓保持穩(wěn)定,對于電流內(nèi)環(huán),比例諧振控制可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的無誤差跟蹤,并減小電流畸變。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性,可應(yīng)用于商業(yè)的建筑集成式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中。
[1]Bojoi R,Limongi L R,Roiu D,et al.Enhanced Power Quality Control Strategy for Single-phase Inverters in Distributed Generation Systems[J]. Power Electronics,IEEE Transactions on,2011,26(3):798-806.
[2]Blaabjerg F,Teodorescu R,Liserre M,et al. Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems[J]. Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2006,53(5):1398-1409.
[3]Yongheng Y,Huai W,Blaabjerg F. Reactive Power Injection Strategies for Single-phase Photovoltaic Systems Considering Grid Requirements[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),2014 Twenty-Ninth Annual IEEE,F(xiàn)ort Worth,TX,2014:371-378.
[4]Yongheng Y,Enjeti P,Blaabjerg F,et al. Suggested Grid Code Modifications to Ensure Wide-scale Adoption of Photovoltaic Energy in Distributed Power Generation Systems[C]//Industry Applications Society Annual Meeting,2013 IEEE,Lake Buena Vista,F(xiàn)L,2013:1-8.
[5]李波,黃純,方達(dá)意,等.改進(jìn)的單相諧波和無功電流檢測算法[J].電力電子技術(shù),2009,43(7):5-7.
[6]Liming L,Hui L,Zhichao W,et al.A Cascaded Photovoltaic System Integrating Segmented Energy Storages with Self-regulating Power Allocation Control and Wide Range Reactive Power Compensation[J]. Power Electronics,IEEE Transactions on,2011,26(12):3545-3559.
[7]張強(qiáng),劉建政,李國杰.單相光伏并網(wǎng)逆變器瞬時(shí)電流檢測與補(bǔ)償控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2007,31(10):50-54.