一种新的光伏并网发电系统控制方案的研究

一种新的光伏并网发电系统控制方案的研究一种新型的光伏并网发电系统的控制方案可以解决传统的光伏并网发电系统所存在的问题了。针对传统扰动观察法的振荡和误判，一种跟下一时刻的功率相比较的改进的扰动观察法被提了出来，该方法结合Boost升压电路，实现最大功率跟踪。针对光伏并网发电系统的谐波污染问题，提出了在电网的基波频率同步旋转坐标系里的无差拍控制方案。一种基于主动频率偏移孤岛检测正反馈的参数优化方案被提了出来，这种方案可以解决在检测区，传统的孤岛检测方法受到干扰等问题。最后，在MATLAB/simulink的仿真和实验环境中，实验结果验证了该方案的有效性和优越性。1、介绍太阳能具有无噪音，无污染，可持续利用等一系列优点。它已经成为最有发展潜力的绿色能源之一。光伏发电是太阳能利用的主要形式。光伏发电技术的深入研究对于解决能源危机，减少环境污染有重要的战略意义，促进经济的健康发展。光伏并网发电系统仍有许多亟待解决的技术问题。首先，由于太阳能电池的输出功率容易被具有明显的非线性因素的环境因素所影响，光伏电池是一个非常不稳定的电力源，因此设计一个高效的、可靠的最大功率跟踪控制策略，在不同的光照强度和温度下能输出尽可能多的能量，提高系统的效率是一个重要的问题。其次，由于逆变器运行过度的谐波电流注入电网，电力系统的谐波污染问题越来越严重。电网出现错误和异常，对其他设备也会产生不利的影响。第三，简单的指令对电流扰动方案没有影响，所以需要更可靠和更稳定的检测方法防止孤岛效应。如何更有效地减少对输出功率扰动的孤岛检测算法的影响和减少检测点是孤岛检测研究的重点。为了解决这些问题，本文提出了一种新的光伏并网系统解决方法。该方案采用Boost升压电路，结合改进的最大功率点的扰动观察法，是为了降低光伏发电的波动性和进一步降低网络电流的谐波含量。本文提出了在基频功率同步旋转坐标系里的无差拍控制方案，是为了适应电网连接点和减少对电能质量的影响。电网可以快速地追踪到孤岛效应。本文提出了在原孤岛检测方法的基础上带有正反馈的主动频率偏移的孤岛检测方法。2.最大功率点跟踪2.1改进的扰动观察法。虽然传统的扰动观察法易于实现，但是步长的选择和环境因素使得“振荡”和“误判”的现象严重。它们会降低最大跟踪速度和精度。基于以上问题，本文提出了一种改进的扰动观察法，增加了和下一时刻功率相比较的联系。也就是说，该系统通过判断扰动边坡以及下一时刻的功率相比较实现最大功率点的跟踪。该方法能快速追踪到最大功率点附近，如果外部条件突然变化，也可以纠正追踪。它不仅不会导致追踪失败和错误也能有效地提高了跟踪精度和降低了功率损耗。图1是改进扰动观察法的流程图。图12.2最大功率点追踪控制。由于光伏发电系统的转换效率比较低，最重要的是调整光伏阵列的工作点，使它工作在最大功率点附近，提高电力系统的整体效率。但是在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受光照强度，还有环境温度的影响。所以太阳能电池一直是不稳定的，按照以上描述的简单方法，不可能获得最大功率输出。目前实现最大功率点跟踪控制的方法是在太阳能电池阵列和负载之间添加一个DC/DC转换器，通过改变功率DC/DC变换器的开关占空比来调整太阳能电池阵列的最大功率点。本文利用带有改进扰动观察法的Boost升压电路对太阳能电池板的最大功率点进行追踪。图2表示，太阳能电池将检测输出电压和输出电流信号，并把其输进了MPPT算法模块，讲太阳能电池输出的电压和电流相乘得到功率。然后用改进的扰动观察法，通过计算后，将输出一个调制信号。将调制信号与固定频率的三角波信号相比较，产生一个开关信号，从而控制升压电路的电源开关。该系统通过调整装换装置的占空比实现最大功率点跟踪。图2逆变器通常通过脉宽调制控制技术来控制逆变器的输出电流。有许多方法能实现对电流内环的控制，通过电流控制电压源逆变器。电流滞环控制是动态的，它也有快速的响应，但滞环宽度是固定的，所以功率器件的开关频率不固定，该电路的可靠性也降低。它可以防止同步旋转坐标系中的PI控制，可以将电压和电流的组件放入DC组件中，从而实现浮动控制。但是通过一系列的测试表明，PI控制器的参数被设置，可以得到更好的性能参数。带有电流无差拍PWM算法的无差拍控制有很好的动态响应，输出电流可以快速精确跟踪到参考电流。近些年，无差拍控制结合空间矢量脉冲宽度调制被广泛应用于电力数字控制的电子转换器。本文建立了带有基于SVPWM电流无差拍控制的三相并网逆变器的模型，也提出了在基频功率同步旋转坐标系中的无差拍控制。3.并网控策略光伏并网系统需要采用并网发电逆变器将光伏阵列输出的直流电转化为交流电。电网电流经过逆变器，所以对电流谐波含量要求严格。在电网控制策略中尤其重要的是控制逆变器输出电流的波形。3.1dq坐标系中的电流无差拍控制。两级三相光伏逆变器拓扑结构如图3。图3图中，物理量的定义如下：Ua,Ub,Uc是逆变器的输出电压，Ea,Eb,Ec是三相光伏并网系统的电网电压。Ia,Ib,Ic是三相并网系统输出的电感电流。L是滤波电感，L1是升压电感，R是电路等效电阻。正如图3所示，在三相静止坐标系中，根据基尔霍夫定律，该电路等效方程如下：（1）中的3/2的转换和旋转可以通过DQ坐标模型的电网电压和频率同步旋转：在这些等式中，Ud和Uq是逆变器输出电压在dq坐标系中的的矢量。Ed和Eq是三相电网电压在dq坐标系中的矢量，Id和Iq逆变器输出电流在dq坐标系中的矢量。W是电网电压频率。（2）的状态可以得到，设控制周期为T，一个三相光伏逆变器离散状态模型的离散方程是：3.2并网逆变器的整个控制策略。三相光伏逆变器控制结构如图4所示。整个系统是由一个最大功率跟踪控制器，直流电压源和交流PI控制器的无差拍控制器组成的。控制系统采用电压外环和电流内环的双环控制结构。电压外环可以保持直流电压的稳定，而电流内环是用来提高该系统的快速性。4.孤岛检测方法和参数优化。自动频率漂移法。自动频率漂移的方法。光伏并网发电系统的孤岛效应对电网的维修人员以及电力设备有很大的危害的。因此，反孤岛策略必须添加到光伏并网发电系统。自动频率漂移（AFD）方法检测孤岛效应的可能性很高并且无需添加任何硬件系统。然而，参数和算法可以极大地影响AFD的能力。如果参数设置小，尽管干扰电网小，可能产生孤岛效应的检测漏洞。如果参数设置大，孤岛效应可以很容易被检测到，但它使电源质量差甚至可能会引起电压的变化，使电力系统不稳定的。此外，当电路呈现容性，频率的下降可以帮助检测出孤岛效应的影响，而频率的增加可能会由于负载的相位角偏移导致孤岛效应的检测失败。当电路呈现感性，频率的增加可以帮助检测孤岛效应，频率的下降会造成未检测区。因此，根据AFD算法的特点，为了减小对电能质量的影响，离网时能快速检测到孤岛效应，使未检测区更小，或者使在一些特定的载荷下未检测区更小，本文介绍了正反馈AFD算法，这是带有正反馈的主动频率。图4对于线性检测法，其控制策略是:Cf=Cfo+Kf在公式中，Cf是截断函数，Cfo是固定的初始扰动，f=f-f0是公共点频率和电网频率之间的差值，K是反馈增益。4.2AFDPF的参数优化。当电网电压降低，如果逆变器不跟分开，会发生公共点频率波动的情况，直到产生新的平衡点。Qf0是RLC电路的固有特性，由R,L,C决定；Qf0是由电网频率w0和R,L决定的，但是，C和Qf0不相关。当有功功率匹配时，w0和R是不变的，所以Qf0只由L决定。负载电容和谐振电容的关系是：C=COCnom=(1+C) CO公共耦合点的角频率等于：W=W0+WAFDPF方法符合下列标准：在下列方程中，Tz是时间间隔，当电流过零导致电压过零时，将式（6）和（9）带入到式（11）中可得到：公共点和电网的频率差值的范围是-0.70.5HZ,固定的初始扰动可以设为Cfo=0.02.为了使不存在未检测到的区域，电容值的范围应为：所以可以得到：当f0=50HZ时，可以得到以下结果：K大于0.0637。因此，为了使未检测区域更小，反馈增益至少为0.0637.5.仿真在本文中，在Matlab/Simulink仿真环境中，最大功率点跟踪，无差拍控制策略，和孤岛检测仿真模型都建立了。本文给出了仿真结果。5.1最大功率点跟踪。根据MPPT控制策略，建立仿真模型。当光照强度降低，最大功率点的电压和电流波形如图5（a）和5（b）。图5（c）和5（d）光照强度和温度变化时，太阳能电池板的输出功率变化波形。通过仿真结果可以得到，辐射强度的变化，改进后的扰动观察法在最大功率点跟踪上能快速响应。在不同的光照强度下，为了跟踪最大功率点，MPPT控制器的控制脉冲信号的占空比是不同的，从而验证了光伏电池的最大功率点跟踪的理论。5.2无差拍控制策略。本文利用Matlab/Simulink仿真验证了在dq坐标系统的无差拍控制模型的正确性。仿真参数如下：电网电压为220V，频率为50Hz，三相逆变器的交流测量电感3MH，交流电阻测量是0.1，仿真时间为0.5s，开关频率为10kHz。0.3秒的时候，从1000W/平米的光照强度下降到400W平方米，直流电压引起轻微波动；逆变器输出电流的波形随着光照强度的降低而下降，他们有相同的频率和相，功率因数为1，如图6所示。当光照强度发生变化时，逆变器输出电流波形在不到一个周期的时间内稳定，直流母线电压将保持稳定。逆变器的输出电流的波形是正弦波，它具有相同的频率和相位波形。从MATLAB仿真结果可以看出，该控制策略具有良好的动态和稳态性能和降低现有网络的谐波含量。逆变器输出电压波形具有相同的正弦波频率和相位量，该控制策略的实现了交付的单位功率因数并网。6为了证明整个控制方案的正确性，本文采用了topcon10kw光伏阵列模拟器来做这个实验。在这个实验中，我们设计了一个两阶的逆变器；在第一阶中，我们使用升压电路把直流电压升高；在第二阶段，我们使用IGBT全桥逆变器将其连接到电网上。逆变器的DSP我们用的是TI公司的TMS320F2812。交流侧滤波电感为12mH。在本文中，根据图4的整个控制策略，我们完成了该实验。第一阶段的逆变器直流电压波形如图9所示；逆变器输出的电流波形和电网的电压波形如图10所示（电压波动较大）。此外我们测量了功率因数等于1，电流的THD为2.2%。因此，直流电压有小的波动和纹波，功率因数等于