屋頂光伏并網逆變器最大功率點跟蹤控制

屋頂光伏并網逆變器最大功率點跟蹤控制

1光伏發(fā)電系統(tǒng)將更好地利用在調峰電站和屋頂光伏并網電站從能源的角度來看，太陽能將改變補充能源而不是能源的角色，太陽能能源將逐漸從無電區(qū)轉向有電區(qū)。光伏并網發(fā)電是太陽能利用的發(fā)展趨勢,除大型光伏并網電站外,光伏發(fā)電系統(tǒng)將愈來愈多地用于調峰電站和屋頂光伏并網電站。目前美、德等發(fā)達國家已經推出了規(guī)模較大的屋頂光伏并網發(fā)電計劃,預計美國在10年內將安裝總容量為3000MW的太陽能屋頂并網電站,作為屋頂并網發(fā)電計劃核心的并網逆變系統(tǒng)也將越來越多地得到更多的關注。本文從光伏系統(tǒng)的特點出發(fā),分析了并網系統(tǒng)的工作原理、研究了系統(tǒng)的最大功率跟蹤問題,同時建立了控制模型,最后通過實驗驗證了方案的正確性。2系統(tǒng)原理2.1逆變電壓的并網運行通常光伏并網逆變器主電路采用電壓型逆變的拓撲結構,如圖1所示。系統(tǒng)采用三相橋的電路結構,逆變電壓通過電感與電網相連,實現光伏系統(tǒng)的并網運行。并網運行模式下,系統(tǒng)的控制目標是使逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網電壓的頻率和相位相同,電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。2.2光伏陣列擾動跟蹤控制光伏陣列的特性曲線如圖2a所示,陣列工作點不同決定了它的輸出功率也不同。光伏陣列最大功率點跟蹤的原理是:通過檢測光伏陣列在不同工作點下的輸出功率,經過比較尋優(yōu),找到光伏陣列在確定日照和溫度條件下輸出最大功率時對應的工作電壓。具體實現方法如下:首先使光伏陣列工作于某一確定電壓值,然后擾動太陽電池輸出電壓值(UPV+?U),再測量輸出功率的變化,與擾動之前的功率值相比。若輸出功率值增加,則表示擾動方向正確,可向同一方向以+?U為步長再擾動;若擾動后的功率值減小,則向反方向以-?U為步長再擾動。此法的最大優(yōu)點在于其結構簡單,被測參數少,通常被較普遍地應用于光伏系統(tǒng)最大功率點的跟蹤控制。通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大,尋優(yōu)過程如圖2b所示。3并網電流正弦波圖1中,定義A橋臂上管通下管斷時Sa=1,下管通上管斷時Sa=0。同理,按此規(guī)則定義Sb、Sc?？刂迫鄻虮鄣拈_關狀態(tài),可以使并網電流實現功率因數為1的正弦波。直流電流方程為如果忽略PWM的高次諧波,可以將開關函數Sa、Sb、Sc看成是角頻率為ω、相角為α、幅值為m的正弦函數,如果只考慮開關函數的基波分量S1a、S1b、S1c,則有設電網相電壓和并網相電流之間的相角為θ,則式中Im——相電流的幅值當只考慮開關函數的基波分量時,則有因此,系統(tǒng)控制模型可以建立為如圖3所示。4開環(huán)控制方式取并網電流為狀態(tài)變量,對于a相電流有式中Ra——線路內阻寫成復數域形式為式中G3(s)——濾波器傳遞函數忽略功率器件VT1～VT6及死區(qū)時間的非線性影響,SPWM控制方式下的橋式逆變環(huán)節(jié)可視為一個高增益的小慣性環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)的傳遞函數為電流環(huán)一般采用PI控制方式,可以得出并網逆變系統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)結構圖,如圖4所示。對控制系統(tǒng)而言,Ua為電網電壓,可視為系統(tǒng)的擾動輸入,I*為電流指令值。由圖4可知,擾動Ua對于系統(tǒng)的輸出Ia的影響為式中G(s)——系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數擾動Ua作用下的誤差為從控制原理來看,這里的前饋補償實際上是采用開環(huán)控制方式去補償可測量的擾動信號,因此前饋補償不會改變控制系統(tǒng)的特性;從抑制擾動的角度來看,前饋控制可以減輕反饋控制的負擔,反饋控制系統(tǒng)的增益可以取得小一些,這利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前饋補償后的控制系統(tǒng)如圖5所示,此時,擾動作用下的誤差為本文在實際系統(tǒng)的設計中,采用前饋補償后獲得了極為良好的效果。系統(tǒng)響應速度雖無明顯改善,但卻非常明顯地減小了超調量。5kw光伏并網變壓器實驗結果本文為科技部“十五”科技攻關項目“大型光伏并網電站”采用的系統(tǒng)。根據上述設計研制了一臺20kW光伏并網逆變器,系統(tǒng)的實