新能源發(fā)電技術(shù) 課件 第四章-光伏發(fā)電控制技術(shù)

第四章光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院本章內(nèi)容：光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)光伏發(fā)電運行控制技術(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略

第四章光伏發(fā)電控制技術(shù)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)光伏電池端口特性曲線：端口電壓較低，光伏電池恒電流輸出，隨著端口電壓增大，輸出功率線性增大；端口電壓較高，光伏電池處于恒電壓工作模式，輸出功率開始下降。當(dāng)前光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率低，會顯著受到日照輻射量和溫度的影響；為有效提高光伏電池的運行效率，采用最大功率點跟蹤技術(shù)，傳統(tǒng)的MPPT優(yōu)化算法有：①定電壓跟蹤法、②擾動觀察法、③導(dǎo)納增量法等光伏電池的輸出特性新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開環(huán)的MPPT算法：工作原理：對于光伏電池，在同一溫度、不同光照強度下的最大功率點近似分布在一條恒定電壓線的附近，因此將其端口電壓控制為最大相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性功率點電壓，即得到不同光照強度下的近似最大功率。光伏電池的最大功率點電壓Vm與開路電壓Voc之間存在近似的比例關(guān)系：*

——取決于光伏電池的特性，通常取值為0.8。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法傳統(tǒng)開環(huán)的MPPT算法：缺點：相同溫度不同光照條件下的光伏電池特性未能考慮溫度變化；環(huán)境發(fā)生變化時，系統(tǒng)無法自動跟蹤新的最大功率點，能量損耗增加，跟蹤效率降低。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法：在傳統(tǒng)算法基礎(chǔ)上串聯(lián)輸出功率-電壓變化量判別環(huán)節(jié)：附加功率反饋的定電壓跟蹤法附加功率反饋的定電壓跟蹤法流程圖端口電壓<Vm，dPv/(dV)<0，控制端口電壓增大；端口電壓>Vm，dPv/(dV)>0，控制端口電壓減??；dPv/(dV)=0時，搜尋到新的最大功率點。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)一、定電壓跟蹤法優(yōu)點：控制簡單且易實現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。缺點：最大功率點跟蹤精度差；跟蹤控制的適應(yīng)性差，對外界環(huán)境條件的變化不具有追蹤能力。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法定步長擾動觀測法：工作原理給予光伏電池初始的端口電壓,擾動觀測法的基本搜尋邏輯示意對輸入電壓進行有限變化，檢測輸出功率的變化大小和方向，進一步對輸入電壓進行有限變化，從而實現(xiàn)光伏電池的自尋優(yōu)控制。特點：光伏電池的電壓步進長度決定了MPPT的追蹤效率和追蹤精度，電壓步進長度無限小促使MPPT無差，但會導(dǎo)致計算過程緩慢。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法定步長擾動觀測法：電壓振蕩情況(T1時刻，工作點電壓為Vp)工作點變?yōu)樽畲蠊β庶c，即Vp_1=Vm：光伏電池電壓進入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩。工作點偏移至最大功率點右側(cè)，即Vp_1>Vm：Pv_1>PvPv_1<PvPv_1=Pv擾動觀測法的電壓振蕩情況1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法定步長擾動觀測法：電壓振蕩情況(T1時刻，工作點電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1>Pv：光伏電池電壓進入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度大于負向電壓偏移幅度。擾動觀測法的電壓振蕩情況2.1新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法定步長擾動觀測法：電壓振蕩情況(T1時刻，工作點電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1<Pv：光伏電池電壓進入Vp→Vp_1→Vp→Vp_2→Vp的周期性振蕩，電壓振蕩幅度為2ΔV，且正向電壓偏移幅度小于負向電壓偏移幅度。擾動觀測法的電壓振蕩情況2.2新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法定步長擾動觀測法：電壓振蕩情況(T1時刻，工作點電壓為Vp)Vp_1>Vm，Pv_1=Pv：振蕩模式與步進判定規(guī)則有關(guān)：如果步進判定規(guī)則設(shè)定光伏電池電壓：不再調(diào)整：未達到最大功率點，系統(tǒng)未能實現(xiàn)MPPT；增大：則系統(tǒng)進入類似于2.1和2.2中的三點振蕩狀態(tài)；減小：系統(tǒng)進入Vp→Vp_1→Vp的兩點振蕩狀態(tài)。缺點：存在判定速度和判定精度的矛盾以及判定振蕩的問題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)二、擾動觀測法變步長擾動觀測法（基于變步長的逐步逼近法）：工作原理在開始搜索時，采用較大的步長搜尋最大功率點所在區(qū)域，然后在每一次改變方向時將步長縮小，如此循環(huán)，每一輪新的搜索都能成倍提升搜索精度，在未顯著增加搜索次數(shù)的前提下，搜索精度得到了指數(shù)形式提高。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法光伏電池MPPT策略通過搜索dPv/(dVp)=0的工作點，確定最大功率點，對輸出功率進行全微分：則dPv/(dVp)可進一步表示為：（判定其正負性的依據(jù)）當(dāng)dPv/(dVp)=0時，上式可寫為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法工作點判定依據(jù)：dIp/dVp與Ip/Vp的關(guān)系圖區(qū)別：導(dǎo)納增量法：用當(dāng)前狀態(tài)判斷，能鎖定最大功率點狀態(tài)；擾動觀測法：用狀態(tài)趨勢判斷，不能鎖定最大功率點狀態(tài)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)三、導(dǎo)納增量法特點：①控制效果好；②控制穩(wěn)定度高；③功率-電壓曲線不會因外界環(huán)境條件及時間變化而改變其單峰曲線的屬性，因此導(dǎo)納增量法無原理性誤差。導(dǎo)納增量法流程圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)本節(jié)內(nèi)容：基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運行策略基于虛擬同步發(fā)電機的光伏系統(tǒng)運行策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運行策略控制系統(tǒng)：①電壓外環(huán)控制；②電流內(nèi)環(huán)控制。并網(wǎng)變流器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的關(guān)系表達式為：并網(wǎng)變流器雙饋機組網(wǎng)側(cè)變流器相同問題：①電流耦合；②電壓擾動影響電流控制。①②新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運行策略解決方案：①對d、q軸電流進行解耦；②對電壓擾動作前饋補償。帶解耦和擾動補償?shù)碾妷弘娏麟p閉環(huán)矢量控制框圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運行策略通過直流母線電壓控制環(huán)節(jié)，得到并網(wǎng)電流參考矢量：并網(wǎng)變流器輸出電壓為：其中：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于矢量控制的光伏系統(tǒng)運行策略優(yōu)點：有功/無功功率控制迅速、解耦；電能質(zhì)量優(yōu)越。缺點：采用電流源控制，無法參與電網(wǎng)頻率及電壓支撐；采用電力電子器件并網(wǎng)導(dǎo)致缺乏一定的慣性，可能引發(fā)穩(wěn)定性問題。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機的光伏系統(tǒng)運行策略有功功率控制和頻率穩(wěn)定的虛擬轉(zhuǎn)子運動方程可表示為：變流器無功功率控制采用無功-電壓下垂控制，電網(wǎng)電壓幅值可表示為并網(wǎng)變流器輸出電壓的相位角和幅值分別為：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.2光伏發(fā)電運行控制技術(shù)基于虛擬同步發(fā)電機的光伏系統(tǒng)運行策略電網(wǎng)頻率支撐調(diào)整有功功率輸出電網(wǎng)電壓支撐調(diào)整無功功率輸出變流器電壓輸出相位和幅值由虛擬同步發(fā)電機的P、Q產(chǎn)生?；谔摂M同步發(fā)電機的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)控制策略新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理光伏變流器與本地RLC負荷相連，當(dāng)電網(wǎng)接觸器(S1)斷開瞬間，RLC上仍有電流，導(dǎo)致并網(wǎng)點仍光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖有電壓。S1斷開前，變流器、本地負載、電網(wǎng)的關(guān)系：S1斷開時，系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)。RLC為并聯(lián)支路，并網(wǎng)電壓和頻率均滿足：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理接觸器開關(guān)瞬間前后，并網(wǎng)點電壓分別滿足如下表達式：電網(wǎng)電壓作用光伏變流器作用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)基本原理因此，孤島運行時，并網(wǎng)點電壓幅值Vis、電壓頻率fis與Vg、fg的關(guān)系為：根據(jù)并網(wǎng)點電壓幅值和頻率可以檢測孤島運行狀態(tài)。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路圖新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略孤島檢測方法通過電網(wǎng)與并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的無線電通信實現(xiàn)遠程檢測電網(wǎng)端的發(fā)送器發(fā)送信號，通過電力線路傳遞信息，用戶端的接收器檢測電網(wǎng)上是否有發(fā)生器發(fā)送的信號，如果沒有收到則認為電網(wǎng)已經(jīng)斷開。光伏變流器的局部反孤島策略被動式光伏檢測法主動式光伏檢測法新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略被動式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過電壓/欠電壓孤島檢測法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測到并網(wǎng)點電壓幅值超出標準容許電壓范圍時，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機，實現(xiàn)反孤島運行。檢測盲區(qū)并網(wǎng)變流器采用功率控制模式：并網(wǎng)變流器采用電流控制模式：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略被動式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過頻/欠頻孤島檢測法基本原理當(dāng)光伏變流器檢測到并網(wǎng)點電壓頻率超出標準容許頻率范圍時，下發(fā)變流器脈沖封鎖指令，以控制變流器停機，實現(xiàn)反孤島運行。檢測盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒功率控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略被動式光伏檢測法及檢測盲區(qū)過頻/欠頻孤島檢測法檢測盲區(qū)光伏系統(tǒng)采用恒電流控制：新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略被動式光伏檢測法及檢測盲區(qū)相位跳變檢測法基本原理測量并網(wǎng)點電壓和變流器輸出電流之間的相位差值，當(dāng)相位差值大于定值，則判定系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)。檢測盲區(qū)新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略被動式光伏檢測法及檢測盲區(qū)電壓諧波檢測法基本原理當(dāng)電網(wǎng)跳閘后，并網(wǎng)變流器的諧波電流在負載阻抗中形成諧波電壓，電壓畸變導(dǎo)致非線性負荷進一步發(fā)射諧波電流，從而惡化并網(wǎng)點電壓質(zhì)量。檢測閾值設(shè)定困難。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略主動式光伏檢測法基于頻率偏移的主動式孤島檢測方案基本原理光伏并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)注入略微畸變的電流，當(dāng)電網(wǎng)與變流器未斷開時，并網(wǎng)點頻率不可改變，當(dāng)電網(wǎng)斷開時，頻率產(chǎn)生持續(xù)的單向偏移，從而實現(xiàn)孤島檢測。主動式頻率偏移法施加的電流波形新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略主動式光伏檢測法基于頻率偏移的主動式孤島檢測方案基于頻率正反饋的主動頻移反孤島策略將死區(qū)時間與交流周期的比值定義為死區(qū)分數(shù)，每個周期的死區(qū)分數(shù)由上一個周期的死區(qū)分數(shù)和當(dāng)前變流器端電壓頻率與電網(wǎng)電壓頻率偏差共同決定，如：優(yōu)點(1)降低對電能質(zhì)量的影響；(2)減小檢測盲區(qū)。新能源發(fā)電技術(shù)光伏發(fā)電控制技術(shù)?浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)防孤島運行策略主動式光伏檢測法基于功率擾動的主動式孤島檢測方案基本原理周期性地改變光伏并網(wǎng)變流器的輸出功率，使其與電網(wǎng)斷開后，輸出的有功功率與負荷有功功率關(guān)系平衡，從而使得并網(wǎng)電壓幅值越限。在變流