光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的研究

1、第38卷 第21期 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 Vol.38 No.21 2010年11月1日 Power System Protection and Control Nov. 1, 2010光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的研究李冬輝，王鶴雄，朱曉丹，李 征（天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）摘要：通過分析太陽能電池的I-V特性，對比各種最大功率點(diǎn)跟蹤方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用了改進(jìn)擾動觀察法結(jié)合BOOST升壓電路來對電池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的方案。分析對比并網(wǎng)電流的各種控制方式，確定采用滯環(huán)比較方式對并網(wǎng)電流進(jìn)行控制。為了使并網(wǎng)電流穩(wěn)定可靠地向電網(wǎng)送電，采用雙閉環(huán)控制策略對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。

2、分析了基于正反饋的主動移頻式孤島檢測方法（AFDPF）的參數(shù)優(yōu)化方案，為AFDPF檢測盲區(qū)的分析提供參考依據(jù)。在Matlab仿真環(huán)境下，利用SimPowerSystems功能模塊，對太陽能電池板的數(shù)學(xué)模型，最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略和并網(wǎng)控制策略分別建立了仿真模型，仿真結(jié)果證明了該方案和控制策略的正確性。關(guān)鍵詞：太陽能；光伏并網(wǎng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；雙閉環(huán)控制；孤島效應(yīng)Research on several critical problems of photovoltaic grid-connected generation systemLI Dong-hui，WANG He-xiong，ZHU Xi

3、ao-dan, LI Zheng（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：Through analyzing the I-V character of the solar battery，and comparing the methods of MPPT，improved P & Q and BOOST circuit are appliedBy comparing the control manners of the current con

4、nected to the grid，the hysteresis control is adoptedFor the stabilization of the grid-connected photovoltaic system，the double close loop control is introduced into the control of the inverterThe methods of the islanding detection are introduced，the scheme of parameters optimization based on the met

5、hod of active frequency drift with positive feedback（AFDPF）is analyzed，which can be taken as a good guideline in the analysis of the non detection zone（NDZ）of AFDPFSimulation model due to the solar battery mathematical model，MPPT strategy and grid-connected strategy are built on the platform of MATL

6、AB by using the modules of the SimPowerSystemsThe simulation results confirm the correctness of the schemes and control strategiesThis work is supported by National Natural Science Foundation of China（No.60874077）. Key words：solar energy；grid-connected photovoltaic；MPPT；double-loop control；islanding

7、 effect 中圖分類號： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 1674-3415(2010)21-0208-070 引言能源短缺和環(huán)境污染是人類面臨的重大問題，研究開發(fā)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有重大意義。開發(fā)和利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)已受到越來越多的重視。通過光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并將電能輸送到電網(wǎng)上，是太陽能利用的主要形式。目前我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用雙極型模式。如圖1示，雙級式發(fā)電系統(tǒng)包括DC/DC和DC/AC兩個環(huán)節(jié)，DC/DC環(huán)節(jié)的目的是實(shí)現(xiàn)最基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60874077）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（2006056054）大功率

8、點(diǎn)跟蹤和升壓，DC/AC的目的是將太陽能電池輸出的直流電變換成交流電，且與電網(wǎng)電壓同頻同相，功率因數(shù)近似為1，向電網(wǎng)輸送有功功率。雙級式發(fā)電系統(tǒng)的前后兩個環(huán)節(jié)具有獨(dú)立的控制手段和目標(biāo)，兩部分可以分開設(shè)計(jì)，控制環(huán)節(jié)比較容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。光伏發(fā)電系統(tǒng)仍有許多技術(shù)問題有待解決。首先，采用更為可靠和高效的最大功率電跟蹤控制策略，使電池板更加高效地將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。其次，隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)多臺并網(wǎng)系統(tǒng)一起工作時，可能會出現(xiàn)許多問題。因而要求并網(wǎng)控制策略必須越來越先進(jìn)，并網(wǎng)逆變器的效率也要越來越高。第三，孤島效應(yīng)的防止，使用簡單的指令電流李冬輝，等 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的研究 - 209 -擾

9、動的方案可能難以奏效，需要有更可靠、穩(wěn)定的檢測方法。這三個技術(shù)問題是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。圖1 雙極式太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of a double-state grid-connectedphotovoltaic system1 最大功率點(diǎn)跟蹤1.1 太陽能電池特性從太陽能電池的I-V特性曲線可以看出太陽能電池是一個非線性直流電源，而且受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響。如圖2示，太陽能電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點(diǎn)，而且隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化。為了能讓太陽能電池充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換能力，就需要實(shí)時控制太陽能電池的工作點(diǎn)以獲

10、得最大功率輸出。2A/22流I電2圖2 在不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的特性曲線 Fig.2 Characteristic curves of PV module as light intensity andtemperature change1.2 最大功率點(diǎn)的控制目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要包括恒電壓跟蹤法、間歇掃描法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法和改進(jìn)擾動觀察法等1-3。針對擾動觀察法容易產(chǎn)生“誤判”現(xiàn)象，因此對其進(jìn)行了改進(jìn)，即改進(jìn)擾動觀察法。該方法增加了與下一時刻的功率水平進(jìn)行比較的環(huán)節(jié)，有利于提高最大功率跟蹤的效率。圖3為改進(jìn)擾動觀察法流程圖。圖3 改進(jìn)擾動觀察法流程圖 Fig.3 Flo

11、w chart of the improved P&Q1.3 最大功率點(diǎn)跟蹤的控制在常規(guī)的線性系統(tǒng)電氣設(shè)備中，為使負(fù)載獲得最大功率，通常要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呢?fù)載匹配，使負(fù)載電阻等于供電系統(tǒng)的內(nèi)阻，此時負(fù)載上就可以獲得最大功率。但是，在太陽能電池供電系統(tǒng)中，太陽能電池的內(nèi)阻不僅受日照強(qiáng)度的影響，而且受環(huán)境溫度及負(fù)載的影響，因而處在不斷變化中，從而不可能用上述簡單的方法獲得最大輸出功率。目前所用的方法是在太陽能電池陣列和負(fù)載之間增加一個DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換器中功率開關(guān)管的占空比，來調(diào)整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。本文采用BOOST升壓電路結(jié)合改進(jìn)擾

12、動觀察法來對太陽能電池板進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。如圖4所示，將檢測到的太陽能電池的輸出電壓UPV和輸出電流IPV信號輸入到MPPT算法模塊，相乘得出太陽能電池輸出的功率，然后運(yùn)用所采用的改進(jìn)擾動觀察法，經(jīng)過算法運(yùn)算，輸出一個調(diào)制信號，該調(diào)制信號與恒定頻率的三角波信號相比較，產(chǎn)生控制BOOST電路中功率開關(guān)器件的開關(guān)信號，通過不斷調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的占空比來達(dá)到太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。- 210 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制圖4 利用升壓電路進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的原理圖 Fig.4 Schematic diagram of MPPT with the BOOST circuit2 并網(wǎng)控制策略2.1

13、逆變器拓?fù)浜涂刂品绞讲⒕W(wǎng)逆變器采用電壓型全橋逆變器，控制方式一般采用輸出電流控制，控制逆變器的輸出電流以跟蹤市電電壓，即可達(dá)到并聯(lián)運(yùn)行的目的。本文采用電流控制方式為滯環(huán)比較方式，雖然滯環(huán)比較方式頻率不固定，但它具有自動峰值限制能力，電流跟蹤精度高、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴負(fù)載參數(shù)和無條件穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)4-5。滯環(huán)控制原理是將給定電流與反饋電流的誤差與一個確定滯環(huán)閾值H做比較，以確定兩對開關(guān)管的開關(guān)邏輯，如圖5所示。在輸出電流正半周，當(dāng)誤差超過滯環(huán)的上閾值，開關(guān)管S2和S3導(dǎo)通，S1和S4關(guān)斷，UAB=E，電感電流減??；當(dāng)誤差低于滯環(huán)的下閾值，開關(guān)管S1和S4導(dǎo)通，S2和S3關(guān)斷，U=E，電感電流增大。圖

14、5 采用滯環(huán)控制方式的并網(wǎng)逆變原理圖 Fig.5 Schematic diagram of inversion with the hysteresiscontrol2.2 并網(wǎng)控制策略光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行并網(wǎng)控制6。雙閉環(huán)的外環(huán)為電壓環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器直流輸入端電壓即電容電壓穩(wěn)定；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，目的是為了控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，輸送到電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。將實(shí)際檢測到的電容電壓與給定的電容電壓相比較，差值經(jīng)過調(diào)節(jié)器，得到電流環(huán)的給定并網(wǎng)電流的幅值，當(dāng)實(shí)際的電容電壓超過給定值時，給定并網(wǎng)電流的幅值會增大，電容電壓會下降；當(dāng)實(shí)際的電容電壓小于給定值時，

15、給定并網(wǎng)電流的幅值會減小，電容電壓則會增加，由此來實(shí)現(xiàn)電容電壓穩(wěn)定。給定并網(wǎng)電流幅值與經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓的頻率和相角同步信號相結(jié)合，得到并網(wǎng)電流的給定信號，此給定電流再與實(shí)際檢測到的并網(wǎng)電流相比較，差值經(jīng)過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，得到全橋逆變器的功率器件的開關(guān)信號，控制功率器件開通和關(guān)斷，使并網(wǎng)電流在指定的環(huán)寬以內(nèi)變化。為了使并網(wǎng)電流諧波含量減少，則應(yīng)減小環(huán)1E2u2寬，由公式f=sT=2HLE可知，電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)PWM開關(guān)頻率會升高，此時電流內(nèi)環(huán)可由一個小慣性環(huán)節(jié)替代，即：W(s)=1iTis+1Ti為電流內(nèi)環(huán)等效時間常數(shù)，此處取值為0.06 ms。為了使電容電壓能保持穩(wěn)定，使電壓環(huán)有良好的抗擾

16、性能，按照典型型系統(tǒng)對電壓環(huán)進(jìn)行整定，增加PI調(diào)節(jié)器，其傳函：Kp+Kis電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：W+Kiov(s)=KpsCs2Tis+1引入中頻寬h，根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法中計(jì)算典型型系統(tǒng)參數(shù)的公式，綜合典型型系統(tǒng)的性能，h一般取5，可得：KpK=5TiiKiC=650T2i3 孤島檢測方法及其參數(shù)優(yōu)化3.1 主動頻率偏移法光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)對維修人員和電網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成了極大的危害，所以，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中必須加入反孤島策略來抑制孤島效應(yīng)的發(fā)生。主動頻率偏移法對孤島檢出率高，又無須在系統(tǒng)中添加任何硬件，但其檢測性能受算法參數(shù)的影響很大，如果參數(shù)設(shè)置較小，雖然對電網(wǎng)的擾動小，但孤島狀況有被漏檢的

17、可能；如果參數(shù)設(shè)置較大，孤李冬輝，等 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的研究 - 211 -島檢測出的可能性較大，但是又會惡化電能質(zhì)量，甚至可能引起電壓閃變和系統(tǒng)不穩(wěn)定7-9。因此，針對AFD算法的特點(diǎn)，在其基礎(chǔ)上提出了基于線性正反饋的頻率偏移法（active frequency drift with positive feedback，AFDPF），對于線性AFDPF，其控制策略為：cf=cf0+kf （1）其中：cf為截?cái)嘞禂?shù)；cf0為固定初始擾動；f=ff0為公共點(diǎn)頻率與電網(wǎng)頻率之差；k為反饋增益10-11。3.2 主動式孤島檢測方法的參數(shù)優(yōu)化電網(wǎng)失壓后，如果不將逆變器和電網(wǎng)斷開，公共點(diǎn)的頻

18、率會發(fā)生波動，直到新的平衡產(chǎn)生。穩(wěn)態(tài)頻率應(yīng)使負(fù)載相角滿足如下關(guān)系：arctanR(LC)=tz2=cf2 （2）其中，tz為電流過零點(diǎn)超前（或滯后）電壓過零點(diǎn)的時間間隔。當(dāng)負(fù)載的諧振角頻率為電網(wǎng)角頻率時，品質(zhì)因數(shù)為：Qf0=0RC=R/0L （3） 式中，0是電網(wǎng)角頻率，且0=2f0=諧振電容C20=1/0L （4）負(fù)載電容與諧振電容之比為：Cnom=C/C0（5） 則負(fù)載電容與諧振電容之間的關(guān)系：C=CnomC0=(1+C)C0 （6） 光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)連接點(diǎn)處的角頻率為：=0+將（3）（6）代入（2）式可得：tan(cf0Cnom=+kf)（7）Q2+1 f0公共點(diǎn)頻率與點(diǎn)網(wǎng)頻率之差f的范圍

19、為-0.70.5 Hz，可假設(shè)固定初始擾動cf0=0.02。要使檢測無盲區(qū)，則電容邊界值應(yīng)滿足：C+Cnomnom8Qf0/0 （9）將f0=50Hz代入可得：k0.0637由此可見，要想使檢測盲區(qū)最小，反饋增益取值最少應(yīng)為0.0637。以上從理論上推導(dǎo)出特定負(fù)載下，AFDPF檢測無盲區(qū)的反饋增益值的取值范圍，為AFDPF孤島檢測方法的參數(shù)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。4 仿真驗(yàn)證本文在Matlab仿真環(huán)境下，分別建立了太陽能電池板、最大功率點(diǎn)跟蹤和并網(wǎng)控制策略的仿真模型，并對其進(jìn)行了仿真。4.1 太陽能電池板模型的仿真根據(jù)太陽能電池的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink中的模塊建立了光伏電池的仿真模型。在環(huán)

20、境溫度和光照強(qiáng)度變化時，電池板輸出波形如圖6所示。圖6（a），6（b）為光照強(qiáng)度降低時電池板輸出電流和電壓波形；圖6（c），6（d）環(huán)境溫度升高時電池板輸出電流和電壓波形。- 212 - 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制圖6 太陽能電池板仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of the solar panel從仿真波形可以看出，此模型可以很好地模擬太陽能電池板的各特性。4.2 最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真結(jié)合MPPT控制策略，搭建了仿真模型，如圖7所示，圖7（a），7（b）為光照強(qiáng)度降低時，最大功率點(diǎn)電壓和電流的波形，圖7（c），7（d）為相應(yīng)的脈沖信號?？梢钥闯?，不同光照強(qiáng)度時，為了跟蹤

21、最大功率點(diǎn)，MPPT控制器輸出的脈沖控制信號的占空比不同。可以很好地驗(yàn)證前面對太陽能電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的理論分析。7（e），7（f）為環(huán)境溫度降低時，最大功率點(diǎn)電壓和電流的波形，7（g），7（h）為光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化時，太陽能電池板輸出的功率變化波形。李冬輝，等 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)幾個關(guān)鍵問題的研究 - 213-圖7 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真波形 Fig.7 Simulation waveforms of the MPPT4.3 并網(wǎng)控制策略的仿真根據(jù)并網(wǎng)控制采用的雙閉環(huán)控制策略，利用SimPowerSystems工具庫中的模塊搭建了并網(wǎng)控制器仿真模型。濾波電感L=10 mH，電容C=2 20

22、0 F，電容電壓的給定值為350 V，為了防止同一橋臂上兩個開關(guān)器件同時導(dǎo)通，滯環(huán)比較器的上下限分別設(shè)置為0.1，-0.09和0.09，-0.1。從圖8，9的仿真波形可以看出，電容電壓穩(wěn)定在給定電壓值處，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻同相，驗(yàn)證了并網(wǎng)控制策略的理論分析。圖8 電容電壓波形Fig.8 Voltage waveform of the capacitance圖9電容電壓電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形Fig.9 Waveforms of the voltage of the grid and the current5 結(jié)束語文章首先采用了雙級式能量變換結(jié)構(gòu)，接著分析了太陽能電池的特性，采用了改進(jìn)擾動觀

23、察法結(jié)合BOOST升壓電路進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的方案。采用雙閉環(huán)控制策略對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，然后分析了基于正反饋的主動移頻式孤島檢測方法（AFDPF）的參數(shù)優(yōu)化方案。最后在Matlab仿真環(huán)境下建立了仿真模型，并進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了本文的方案和控制策略的正確性。 參考文獻(xiàn)1 吳理博，趙爭鳴，劉建政，等. 單級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤算法穩(wěn)定性研究J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（6）：73-77.WU Li-bo，ZHAO Zheng-ming，LIU Jian-zheng，et al. Research on the stability of MPPT strateg

24、y applied in single-stage grid-connected photovoltaic systemJ. Proceedings of the CSEE，2006，26（6）：73-77. 2 崔巖，蔡炳煌，李大勇，等. 太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究J. 太陽能學(xué)報(bào)，2006，27（6）：535-539.CUI Yan，CAI Bing-huang，LI Da-yong，et al. Comparative studies on the MPPT control algorithms of solar energy photovoltaic systemJ. P

25、roceedings of the CSEE，2006，27（6）：535-539. 3 Jung Youngseok，So Junghun，Yu Gwonjong. Improvedperturbation and observation method （IP&O） of MPPT control for photovoltaic power systemsC. /Photovoltaic Specialists Conference. 2005.4 顧和榮，楊子龍，鄔偉揚(yáng). 并網(wǎng)逆變器輸出電流滯環(huán)跟蹤控制技術(shù)研究J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）：108-112.- 214 -

26、電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 GU He-rong，YANG Zi-long，WU Wei-yang. Researchon hysteresis-band current tracking control of grid-connected inverterJ. Proceedings of the CSEE，2006，26（9）：108-112.5 戴訓(xùn)江，晁勤. 光伏并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)電流滯環(huán)跟蹤控制的研究J. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（4）：25-30.DAI Xun-jiang，CHAO Qin. Research of adaptive current hysteresis band

27、 track control for photovoltaic grid-connected inverterJ. Power System Protection and Control，2010，38（4）：25-30.6 許頗，張崇巍，張興. 三相光伏并網(wǎng)逆變器控制及其反孤島效應(yīng)J. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（9）：1139-1143. XU Po，ZHANG Chong-wei，ZHANG Xing. Research on the whole control schemes and anti-islanding protection for the three-phase gr

28、id-connected photovoltaic inverterJ. Journal of Hefei University of Technology，2006，29（9）：1139-1143. 7 Ropp M E，Begovic M，Rohatgi A. Analysis andperformance assessment of the active frequency drift method of islanding preventionJ. IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14（3）：810-816. 8 LIU Fu-r

29、ong，KANG Yong. Analysis and optimization ofactive frequency drift islanding detection methodC. /Applied Power Electronics Conference. 2007：1379-1384.9 Ropp M E，Begovic M，Rohatgi A. Determining therelative effectiveness of islanding detection methods using phase criteria and nondetection zonesJ. IEEE

30、 Transactions on Energy Conversion，2000，15（2）：290-296.10 劉芙蓉，康勇. 主動移頻式孤島檢測方法的參數(shù)優(yōu)化J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（1）：95-99.LIU Fu-rong，KANG Yong. Parameter optimization of active frequency drift islanding detection methodJ. Proceedings of the CSEE，2008，28（1）：95-99. 11 鄭詩程，丁明，蘇建徽，等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)及其孤島效應(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（12）：3085-3088.ZHENG Shi-cheng，DING Ming，SU Jian-hui. Simulation and experiment research of photovoltaic generation system and its islandingJ. Journal of System Simulation，2005，17（12）：3085-3088. 收稿日期：2010-04-20 作者簡介：李冬輝（1962-），男，博士，