光伏并網(wǎng)逆變器功率優(yōu)化的能量耦合關(guān)系研究

光伏并網(wǎng)逆變器功率優(yōu)化的能量耦合關(guān)系研究

0光伏組件功率跟蹤模型基于高頻功率變換的序列，波形輸出矩陣通常分為兩種類型：單級式和二級式。采用單級式逆變器時,由于只需一次高頻功率變換,具有變換效率高、光伏組件利用率高、可靠性高等顯著優(yōu)點［1～6］。單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏組件、濾波電容和并網(wǎng)逆變器,如圖1所示。由于光伏組件輸出功率近似為平滑的直流,而并網(wǎng)逆變器輸出功率呈周期性脈動,因此光伏組件與并網(wǎng)逆變器之間需要足夠大的濾波電容,以平衡并網(wǎng)逆變器與光伏組件間的瞬時功率差,該電容的引入導(dǎo)致了光伏組件、并網(wǎng)逆變器以及濾波電容三者之間的能量耦合。光伏組件輸出功率與輸出電壓之間為非線性關(guān)系,如圖2所示。為了實現(xiàn)光伏組件輸出功率的最大化,需要對光伏組件進行最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)［6～14］?，F(xiàn)有的MPPT方法一般是通過對并網(wǎng)逆變器的輸出功率施加小的擾動,通過一定的算法判斷光伏組件輸出功率的變化趨勢,進而決定下一步施加擾動的方式。上述施加微小擾動的MPPT方法是在光伏組件輸出特性穩(wěn)定的前提下進行的。在光照條件、溫度條件或其他不可知的外部因素發(fā)生變化而導(dǎo)致光伏組件輸出特性發(fā)生變化時,也即光伏組件的輸出功率發(fā)生劇烈變化時,由于濾波電容的能量耦合作用,光伏組件輸出功率的變化并不能在并網(wǎng)逆變器輸出功率上實時體現(xiàn),因此基于穩(wěn)態(tài)分析的MPPT方法不能保證并網(wǎng)逆變器的輸出功率實時跟蹤光伏組件輸出功率的變化,嚴(yán)重時會使MPPT算法失效,導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。文獻[6,7]利用單級式光伏并網(wǎng)逆變器中電容電壓波動所反映的能量關(guān)系,研究了無電流傳感器的MPPT算法,但未分析電容儲能對MPPT穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的影響;文獻分析了單級并網(wǎng)逆變器中電容儲能對穩(wěn)態(tài)MPPT性能的影響,給出了儲能電容的選取準(zhǔn)則,但未分析儲能電容對MPPT動態(tài)跟蹤性能的相互影響關(guān)系;文獻分析了單級并網(wǎng)逆變器中MPPT算法的穩(wěn)定性,提出采用變步長的算法來改善動態(tài)性能,但也未分析儲能電容對MPPT性能的影響。本文分析研究了單級式并網(wǎng)逆變器濾波電容的能量耦合關(guān)系。把光伏組件的輸出特征曲線劃分為非穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定區(qū)和滑模變結(jié)構(gòu)區(qū),并給出了判別區(qū)域的方法。通過理論分析和計算推導(dǎo),在光伏組件輸出功率發(fā)生劇烈變化時,利用光伏組件、濾波電容、并網(wǎng)逆變器三者之間的耦合關(guān)系以及濾波電容電壓的變化,精確計算出并網(wǎng)逆變器下一個功率周期的輸出功率給定,在一個功率周期內(nèi)解除濾波電容與并網(wǎng)逆變器和光伏組件之間的能量耦合關(guān)系,改善MPPT動態(tài)性能。1光伏組件與并網(wǎng)變壓器間的功率耦合單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。如果忽略逆變器損耗,二者(Pinv、Po)近似相等。根據(jù)瞬時功率平衡關(guān)系:式中,PC———濾波電容的功率;PPV———光伏組件的輸出功率;Pinv和Po———分別為單級式并網(wǎng)逆變器的輸入、輸出功率,其中:式中,———逆變器輸出功率峰值,ω=100π。由式(2)可看出,由于逆變器的輸出功率Po為大脈動的直流量,而光伏組件在穩(wěn)定工作時輸出的功率是接近恒定的直流量,因此光伏組件與并網(wǎng)逆變器之間需通過大容量電容實現(xiàn)它們之間的功率解耦。在單級并網(wǎng)逆變器中,電容電壓uC就是光伏組件的輸出電壓,其單調(diào)性由流入電容的功率的符號決定。由圖2及式(1)、式(2)可得到光伏組件的功率-時間曲線和電壓-時間曲線,如圖3所示。通過以下分析可看到,面積關(guān)系反映了能量耦合,而電容電壓uC的單調(diào)性關(guān)系則反映了系統(tǒng)工作區(qū)域。1.1電容電壓uc單調(diào)圖3中,N1、N2和N3分別為光伏組件的輸出功率PPV與逆變器的輸出功率曲線Po的交點。L1和L2分別表示PPV曲線上N1至N2,N2至N3的分段曲線。C1、C2分別表示Po曲線上N1至N2,N2至N3的分段曲線。SI表示由C1、L1圍成的面積,SII表示由C2、L2圍成的面積。SI表示逆變器輸出功率大于光伏組件輸出功率的區(qū)域,此時電容放電,電容電壓uC單調(diào)下降;而SII表示逆變器輸出功率小于光伏組件輸出功率的區(qū)域,此時電容充電,電容電壓uC單調(diào)上升。如果SI=SII,則稱為平衡工作點,即電容在一個市電功率周期內(nèi)凈能量流為零,逆變器輸出能量與光伏組件輸出能量在該周期內(nèi)實現(xiàn)解耦。1.2電池電極電壓極值點分析將圖2按P-V曲線的單調(diào)性劃分為單調(diào)增的A區(qū)、單調(diào)減的B區(qū)以及非單調(diào)的M區(qū)。如圖2以及與之對應(yīng)的時間曲線(如圖3所示),系統(tǒng)工作于A區(qū)時,PPV隨uC的上升而上升,兩者具有同樣的單調(diào)性;B區(qū),PPV隨uC的上升而下降,兩者具有相反的單調(diào)性。如果系統(tǒng)工作于M區(qū),則對應(yīng)圖3的N1N2段以及N2N3段都將不再是單調(diào)曲線,因為意味著每一段都掃過MPP點,故每段曲線都必然是凸線,極值點即為MPP點。由于P-V曲線在M區(qū)域近似對稱,N1至N2段,N2至N3段分別以該曲線的時間軸中心線近似對稱。所以,根據(jù)功率-時間曲線和電壓-時間曲線的單調(diào)性關(guān)系,即可判斷系統(tǒng)工作于哪個區(qū)域。從以上分析得知,電容電壓極值點對應(yīng)著光伏組件輸出功率與逆變器輸出功率曲線的交點。這些交點對應(yīng)的角度不僅反映了系統(tǒng)的工作區(qū)域,在后面的分析中可看到,它們也進一步反映了電容能量是否解耦,即系統(tǒng)是否工作于平衡點。在圖3中,設(shè)t1時刻對應(yīng)的角度為α1,t2時刻對應(yīng)的角度為α2,則系統(tǒng)在線性區(qū)(A區(qū)與B區(qū))時,t1時刻至t2時刻的功率差值為:對應(yīng)圖3中的N1N2線段,由于逆變器輸出功率大于光伏組件輸出功率,電容電壓uC單調(diào)減。因此,如果光伏組件輸出功率位于A區(qū),則N1N2對應(yīng)的輸出功率單調(diào)減,即ΔP<0;反之在B區(qū),則ΔP>0。因此,通過檢測電容電壓,求出單調(diào)性改變點的角度為α1和α2,并進一步求出ΔP的符號便可以判斷系統(tǒng)工作點是位于A區(qū)還是B區(qū)。考慮到在M區(qū)域,P-V曲線近似對稱,因此可得到α1+α2≈π,即ΔP近似為零。此時L1曲線不單調(diào),系統(tǒng)滑過了MPP點,因此L1呈現(xiàn)上凸形狀。無論系統(tǒng)工作在什么區(qū)域,逆變器功率曲線與光伏組件功率輸出曲線每次相交時,都意味著PC改變方向。2能量解耦系統(tǒng)通過下面分析可看到,系統(tǒng)處于M區(qū)域時如果能量能夠解耦,則其在MPP附近表現(xiàn)為小幅擺動的穩(wěn)定的“變結(jié)構(gòu)滑動模態(tài)運動”。亦即,在M區(qū)實施能量解耦構(gòu)成了MPP穩(wěn)定的充分條件。2.1ppv增加與uc增加的過程在圖2中,假設(shè)系統(tǒng)分別處于A0點和B0點時都處于平衡工作點。在A0點時,假設(shè)并網(wǎng)逆變器輸出功率Po有一個正擾動,將導(dǎo)致濾波電容電壓uC降低,即光伏組件輸出功率PPV降低,系統(tǒng)由A0向A1運動;PPV降低意味著電容能量為凈輸出,因而uC進一步下降,即PPV降低與uC下降的過程構(gòu)成了正反饋,將最后導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。若Po有一個負(fù)擾動,uc增加,系統(tǒng)由A0向A2運動,PPV增加,PPV增加意味著電容能量為凈輸入,因而uC進一步增加,此運動導(dǎo)致uC進一步增加,即PPV增加與uC增加的過程也構(gòu)成了正反饋,將最后導(dǎo)致系統(tǒng)爬過頂點。所以,A區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)域,應(yīng)避免工作于此區(qū)域。工作于B0點時,假定并網(wǎng)逆變器輸出功率Po有一個正擾動,將導(dǎo)致uC降低,即PPV增加,系統(tǒng)由B0向B2運動;由于PPV增加意味著電容能量為凈輸入,因而uC的將升高,系統(tǒng)由B0向B2運動自動受到扼制。同理,當(dāng)Po有一個負(fù)擾動時,系統(tǒng)由B0向B1運動也同樣受到扼制而回到B0點。以上兩個過程都等價于負(fù)反饋過程,所以,B區(qū)是穩(wěn)定區(qū)域。在M區(qū)域,系統(tǒng)由于變結(jié)構(gòu)而以滑動模態(tài)擺動于穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)之間,處于一個特殊的穩(wěn)定狀態(tài)?；＿\動存在的第一個必要條件是系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)。無論是系統(tǒng)由穩(wěn)定區(qū)進入非穩(wěn)定區(qū),還是由非穩(wěn)定區(qū)進入穩(wěn)定區(qū),都發(fā)生了功率與電壓關(guān)系的單調(diào)性變化,等價于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化,變結(jié)構(gòu)點即是P-V曲線的極大值點?；＿\動存在的第二個必要條件是控制量極性變號,而逆變器功率曲線與光伏輸出功率曲線相交,凈功率流變號,則等價于控制量變向。定義變結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)滑過極點引起光伏組件輸出功率與輸出電壓的單調(diào)性關(guān)系發(fā)生變化,定義控制量變向為光伏組件輸出功率與逆變器直流脈動功率必相交而引起電容電流變方向,即電容電壓單調(diào)性變向。在此控制模式下,如果電容能量解耦,即一個功率周期電壓變化為零,則對應(yīng)系統(tǒng)滑過P-V曲線極點后反向滑回初始點,因此,MPPT問題也就轉(zhuǎn)化成為系統(tǒng)進入M區(qū)后的電容能量解耦問題。2.2基于l1的功率解耦圖3中,如果系統(tǒng)工作于A區(qū)和B區(qū),則L1和L2近似為直線,故C1、C2、L1、L2可分別用式(4)表示:由此積分可得到SI和SII:由以上分析可知,如果使得功率解耦,需保證SI=SII。令SI=SII,可得:由式(7)可得到以下結(jié)論:若系統(tǒng)平衡工作,則α2-α1=π/2,且若在A區(qū)則α1>π4,若在B區(qū)則3光伏組件用能量解耦mpptMPPT的最終目的是實現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電量最大。因此,MPPT算法由兩個指標(biāo)評價:功率到達MPP點的時間以及到達MPP點后的功率或電壓擺幅。根據(jù)前述分析可知,如果在MPP點電容能量解耦,則系統(tǒng)內(nèi)在實現(xiàn)“滑模變結(jié)構(gòu)運動”狀態(tài),但在系統(tǒng)進入M區(qū)之前,能量解耦并無必要,因為無論是在A區(qū)還是B區(qū),能量解耦意味著系統(tǒng)在該點相對穩(wěn)定。特別是系統(tǒng)從開路電壓啟動過程中,如果在B區(qū)就能量解耦,意味著系統(tǒng)進入M區(qū)的過程緩慢。MPPT跟蹤的目的是使光伏組件的輸出功率最快上升至Pm,這等價于組件電壓即電容電壓最快下降至uCm,這進一步等價于逆變器以最大功率輸出。而PPV上升至Pm后快速穩(wěn)定,則等價于系統(tǒng)在到達Pm時能立刻被牽引進入“滑模變結(jié)構(gòu)運動”狀態(tài),即立刻實施能量解耦。在A區(qū)和B區(qū)時,圖4中L1的中點坐標(biāo)為:如果系統(tǒng)解耦,可將式(7)帶入式(8),得因此如果以為下一周期的功率給定,即可實現(xiàn)近似解耦。以上提出的功率解耦方法,特別適用于系統(tǒng)啟動及光照突變的情況。4新型加大解耦控制實驗搭建了一臺反激式光伏并網(wǎng)逆變器實驗樣機,樣機主要參數(shù)如表1所示,采用SIM4.0型PV模擬器模擬光伏板輸出特性,采用擾動觀察法實現(xiàn)MPPT。圖5給出了加入解耦控制前后的系統(tǒng)啟動波形,其中圖5a是未加入解耦MPPT算法的啟動波形,圖5b、圖5c是加入解耦MPPT算法的啟動波形,圖中UC、iinv分別為解耦電容電壓波形和并網(wǎng)逆變器輸出電流波形。從圖5a、圖5b的對比波形圖中可看到,加入解耦算法后,啟動速度明顯快于未加入解耦時的系統(tǒng)啟動速度,系統(tǒng)啟動時間可減小約一半;從圖5c可看到,加入解耦算法以后,系統(tǒng)啟動時以最大功率啟動,當(dāng)檢測到電容電壓達到最大功率點時,能夠在一個功率周期內(nèi)解除電容的能量耦合,鎖定最大功率區(qū)域,從而實現(xiàn)快速跟蹤。圖6給出了模擬器最大功率點功率從160W突降至90W時,加入解耦控制前后的對比實驗波形,其中圖6a為未加入解耦時的實驗波形,從圖中可看到,當(dāng)功率瞬間跌落時,系統(tǒng)不能立即響應(yīng)跟蹤功率變化,導(dǎo)致輸入電壓瞬間跌落,然后又緩慢啟動;圖6b為加入解耦后的實驗波形,根據(jù)電容電壓的變化,系統(tǒng)能在單周期內(nèi)實現(xiàn)電容電壓也即光伏電池輸出電壓的穩(wěn)定,實現(xiàn)快速跟蹤,保證系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性能。實驗波形表明了所提出解耦控制方法的有效性