Three phase grid-connected PV power system of power control.doc

three phase grid-connected pv power system of power controlabstractthis paper proposes a control strategy for grid-connected photovoltaic (pv) system based on power controlling. the pv grid-connected system is composed of pv array, dc/dc boost converter and inverter etc. the maximum output power of photovoltaic array is used as the reference input of the outer ring of inverter control loop power , to achieve maximum power into the grid; and the current control loop is used to control the system into the mains current quality, at the same time to realize the current protection of the inverter circuit. the simulation results testified this methodology was fine, having the power of high tracking accuracy, current distortion of small features, which can improve the power convention efficiency of the pv grid-connected system.key words-photovoltaic grid-connected system；power control；do transform；spwm. 引言项目基金：河南教育厅项目（2011a470006） 郑州市科技局项目（iodtgs507-5）随着光伏并网系统的增加，实现光伏功率的有效转换面临越来越大的挑战。光伏阵列输出的直流电需要转换为正弦交流电方可注入电网。ieee std. 929-20001 要求光伏系统经由逆变器注入配电网的电流总的谐波含量要小于5%。因此，并网控制系统要实现两个重要的功能：一是使光伏电池工作在最大功率点处，从而提高系统的功率转换效率；二是使逆变器注入电网的电流为与并网电压同频同相的正弦波，且输出功率因数为1。目前，为提高光伏系统的转换效率，针对光伏阵列最大功率点跟踪的技术是研究的热点之一。文献25对这方面做了详细的研究，其中较常用的方法有：扰动观察法、增量电导法以及智能控制算法等。逆变器的控制是光伏并网系统的又一重要方面，其主要作用是控制系统注入电网的电流为高品质的交流电。其控制算法主要有重复控制6、电流滞环控制7、智能控制8等。这些控制算法虽然一定程度上实现了控制目标，但控制精度不够，效果不太理想。为解决上述问题，结合参考文献9-11本文提出了一种以功率控制为外环电流控制内环的双环控制方式。. 光伏阵列的特性本文采用一种双指数等效电路模型12，对光伏电池的特性进行了分析与仿真。其简化结构如图1所示。图1 光伏电池简化电路模型fig.1. simplified pv cell circuit model. 光伏电池输出电流与端电压之间的关系为： （1）式中光伏电池内部产生的光生电流，为暗电流，为电池的端电压，为串联电阻,为旁路电阻。和均为光伏电池本身固有电阻，相当于光伏电池的内阻。另外光伏电池的特性还随光照强度和温度而变化。考虑到这些因素的影响，光伏电池模型还用到了以下两个方程。光伏电池输出电流与光照强度和温度之间的关系式为： （2）式中是光伏电池在标准情况下的输出电流（25和1000w/），为电流/温度变化系数，是温度变化量，为标准光照强度（1000w/）。电流温度变化系数很小，因此相对于光照强度，温度对短路电流的变化影响很小。 式(1)中光伏电池的反向饱和电流受温度影响很大。二者的关系： (3)式中和为标准情况下光伏电池的短路电流和开路电压，、电流电压的温度变化系数。图2为根据上述公式得到光伏阵列的功率电压特性曲线。从图中可以看出在外界条件不变的情况下，光伏阵列存在一个最大输出功率点（mpp），且当光照强度或者温度发生变化时此点也随之变化。图2 光伏阵列的p-v特性曲线fig.2. pv cell p-v characteristic 图3 光伏并网系统及其主控制模块示意图fig.3. schematic diagram of the grid connected pv system showing its main control blocks. . 光伏并网系统的结构图3给出了光伏系统的结构。它包括光伏阵列、直流boost变换器、逆变器等。由图2可知光伏阵列的输出功率存在一个最大值点，该点是随光照强度和温度的改变而变化的。通过最大功率点跟踪（mppt）技术可以使光伏阵列工作在最大功率点。扰动观察法和电导增量法因其控制简单且性能优越而受到广泛的应用。光伏阵列输出电压ppv经mppt的控制作为dc/dc变换器的输入电压，dc/dc变换器的作用就是将电压ppv变换为稳定的输出电压vcd，从而保证逆变器的输入侧直流电压为一个恒定值。三相电流控制电压源逆变器（vsi）的作用为将输入的直流电转换为适合并网的交流电。lf和cf组成的lc滤波器可以滤除逆变电流中的扰动谐波分量。而电流总的畸变谐波含量是衡量电能质量好坏的一个重要指标。配电网可视为一个y型连接的电压源，并带有电感lg和电阻rg。负载为感性负载rl。a. dc/dc boost 控制电路直流侧升压变流器用来使光伏电池输出最大功率，并为逆变器并网提供一个稳定的直流侧母线电压。直流变流器原理图如图5所示。光伏阵列与变流器的输入端相连，直流侧电容器与变流器的输出端相连。图4 dc/dc boost 升压电路原理图fig. 4. dc-dc boost converter schematic diagram.图中dc/dc变换器的输入端电压vpv与输出端电压的关系如下。 （4）式中为开关器件q的占空比，其值小于1。由该式可知在光伏阵列输出端电压不变的情况下通过调节开关器件q的占空比就可以得到期望的逆变器输入电压。b. 电压源逆变器（vsi）电压源逆变器的作用是将光伏阵列输出的直流电转换为交流电，图5为三相两电平逆变器的拓扑结构。正弦波脉宽调制技术（spwm）能够有效的为逆变器的每个晶体管提供开关脉冲。脉宽调制逆变器常用的控制方式有电压外环电流内环双环控制和功率外环电流内环双环控制等。本文的控制方法的是以功率控制为外环，电流控制为内环使逆变器输出功率等于光伏阵列的最大输出功率。首先将并网的三相输出电压和电流转换到旋转坐标系（dq0）下，求出逆变器输出的用功无功功率和无功功率。然后将其与参考信号和进行比较（其中为光伏阵列的最大输出功率，而为了使逆变器的输出功率因数为1，选取），两者的误差作为功率外环的输入信号经pi调节得到电流内环的参考电流信号。最后经电流内环的调节获得逆变器的正弦波脉宽调制发生器（spwm）的门控制信号，通过spwm产生逆变器的控制信号。图5 三相两电平电压源逆变器fig. 5. two level, three phase voltage source inverter.c. dq旋转坐标系下的功率控制假设系统是平衡的，dq转换可以将逆变器注入的三相电流转换为三个恒定的直流分量id、iq、i0。这两者之间的关系式为： (5)（5）式中为参考坐标系的旋转频率，单位rad/sec。三相电压的转换与电流相同。在dq坐标系下逆变器输出的有功和无功功率的计算公式为： （6）式中、是公共耦合点的dq电压分量，、是注入电流的dq分量。功率外环的控制过程可用下式表示： （7）式中、为得到的电流dq参考分量, 、为外环pi控制参数。将逆变器输出电流的dq分量、作与之比较，然后经电流内环pi调节器调节得到逆变器的spwm门控信号的指令电压、如式（8）所示。 (8) 式中、为内环pi控制器参数。最后将dq指令电压信号、经dq反变换转换为自然坐标系abc下的三相电压。作为逆变器的spwm调制的控制信号，通过对逆变器的控制来实现dc/ac功率的变换。. 仿真实验及结果分析为了验证本文所讨论控制方法能否达到预期的控制目标，对图3所示的光伏并网系统在matlab simulink 中进行了仿真。表1给出了仿真电路中的设置参数。图6给出了系统仿真的结果。表1 系统参数table 1 parameters of system参数值并网相电压10kv并网频率50hz直流母线电压3000v滤波器电感l5mh滤波器电阻r0.05滤波器电容c1f负载有功功率1mw负载无功功率10kvar图6（a）为逆变器在公共耦合点注入电网的三相电流，可以看出在经过初始阶段的短暂调整后电流达到了一个稳定值。图6（b）为注入电网的电流的总谐波畸变量，其值均在2%4%之间，符合ieee std. 929-2000的规定。图6(c)为逆变器输出电流与电压的比较，为比较方便图中将电压幅值做了缩小，从中可以看出两者同频同相。图6（d）是逆变器输出的功率。在开始时有功功率为参考值为1mw，无功为零。文中假设在0.4秒时有功功率值以10mw/s的速率发生改变，0.5秒后参考功率稳定到了0.5mw。从仿真的结果来看该控制算法很好的实现了功率跟踪，进而保证了光伏阵列能够工作在最大功率点处，使整个系统的功率转换效率得到了提高。.结论本文提出了一种针对光伏并网系统的直接功率控制策略。该控制策略采用功率外环电流内环双环控制，功率外环的控制目的是使逆变器的输出有功功率跟随光伏阵列的最大输出功率，无功功率等于零。近而保证光伏系统具有较高的功率转换效率，且逆变器输出功率因数等于1；电流内环的控制目的是使逆变器注入电网的电流为高质量的正弦波。实验结果表明该控制方法能够达到预期的控制目标。并使整个光伏并网系统的功率转换效率得到了提高。（a）注入电网的三相电流（b）并网电流的总谐波畸变量（c）逆变器输出电流电压相位图（d）逆变器输出的有功无功功率图6 仿真结果fig。6 simulation resultsreferences1 ieee recommended practice for utility interface of photovoltaic (pv) systems, ieee std 9292000, p.i,2000. 2 s. jain and v. agarwal. comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single-stage grid-connected photovoltaic systems .iet electr. power appl. 2007. 1(5): 753. 3 xiong yuancheng, yu li, xu jianming. mppt control of photovoltaic generation system combining constant voltage method with perturb- observe methodj. 2009. 29(6): 85-88. 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