（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网发电的功率平抑控制.pdf

中图分类号：t m 6 1 5 u d c ：6 2 1 3 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 光伏并网发电的功率平抑控制 p o w e rs t a b i l i z a t i o nc o n t r o lf o rg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c p o w e rs y s t e m 作者姓名：邱培春 导师姓名：葛宝明 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 9 8 0 职称：教授、博导 学位级别：硕士 学科专业：电力电子与电力传动研究方向：光伏发电 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师葛宝明教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、 课题的开展到论文的完成都凝聚着导师的心血。葛老师严谨的治学态度和科学的 工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来葛老师对我的关心和指 导。 清华大学电机系电力系统国家重点实验室的毕大强高级工程师悉心指导我们 完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在 此向毕老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，刘钰山、孙东森、郑鹤龄、裴丽娜、王文亮、 赵帅央、刘春秋、马颖涛、牟晓春、张瑞芳、李丰林、冯存亮、薛绍申、吴伟亮、 凌晨和王思耕等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 另外也感谢我亲爱的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 中文摘要 摘要：光伏并网发电是最有发展前景的新能源之一，规模越来越大。然而，当光 照剧烈变化时，光伏系统输出功率波动较大，会给电网的规划、运行和调度造成 困难，制约了光伏并网发电的大规模发展。因此，本文围绕光伏并网发电功率平 抑控制展开研究，提出了储能型光伏并网发电系统，以光伏发电最大功率跟踪和 并网逆变为基础，重点研究了功率平抑控制策略，并开展了仿真和实验研究，验 证了本文提出的控制方法可行、有效。 第一，针对功率波动的问题，提出了储能型光伏并网系统。通过分析比较，并 网逆变器采用两级功率变换结构，前级采用b o o s t 电路，后级采用电压源型逆变 器。并接在逆变器直流母线上的双向d c d c 变换器和阀控制铅酸蓄电池( v r l a ) 组成储能系统，实现对光伏阵列输出功率削峰填谷、平抑的功能。 第二，研究了光伏发电的并网控制，包括最大功率跟踪和并网逆变两部分。在 综合分析比较当前各种控制方法的基础上，提出了一种改进的控制方法，该控制 方法由扰动观察法、二次曲线拟合法和恒电压法组合而成，综合了以上三种控制 方法的优点，并进行了仿真和实验验证。在研究并网逆变控制时，探讨了有功和 无功的解耦控制及空间矢量p w m 的工程实现方法，系统采用电压源型逆变器电流 输出控制，采用双闭环的控制结构，外环控制直流母线电压，内环控制逆变器输 出电流，在与电网电压矢量同步旋转的d q 坐标系下，对逆变器输出电流的d 轴分 量和q 轴分量进行解耦控制，还进行了仿真研究。 第三，研究了并网功率平抑控制的策略。分析了功率波动对电网的规划、运行 和调度可能造成的危害，分析了储能型光伏并网系统的运行工况，提出了并网功 率的给定方法，即光伏阵列输出功率进行低通滤波后的值作为参考并网功率，还 详细分析了低通滤波器的设计、双向d c d c 变换器的控制，最后还进行了仿真研 究。 第四，开发了一台双向d c d c 变换器，包括硬件电路的设计和控制程序的设 计两部分。结合实验室现有的设备条件，搭建了一个实验平台，对本文提出的功 率平抑控制策略进行了验证。 关键词：光伏发电；最大功率跟踪；并网逆变；储能系统；功率平抑 分类号：t m 6 1 5 a bs t r a c t a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tp r o s p e c t i v en e we n e r g ys o u r c e ，酊d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i c ( p v ) p o w e rg e n e r a t i o ni sb e i n gd e v e l o p e dw i d e l y h o w e v e r ，t h ep vp o w e r f l u c t u a t e ss e r i o u s l yw h e nr a d i a t i o nc h a n g e sf a s ta n dm a yr e s u l ts o m ep r o b l e m sf o rt h e g r i dp l a n n i n g ，o p e r a t i o na n dd i s p a t c h i n g i nt h i sp a p e r , a ne n e r g ys t o r a g e b a s e d 西d c o n n e c t e dp vp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ep o w e r f l u c t u a t i o np r o b l e m t h i sp a p e rf o c u so np o w e rs t a b i l i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb a s i n go n m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) a n dd c a cc o n v e r s i o n s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t ov a l i d a t et h ep r o p o s e ds t r a t e g y f i r s t l y , a ne n e r g ys t o r a g e - b a s e dg r i d - c o n n e c t e dp vp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi s p r o p o s e df o rp o w e rs t a b i l i z a t i o nc o n t r 0 1 t h et w o - s t a g eg r i d - c o n n e c t e dp vi n v e r t e ri s c o m p o s e dw i t hab o o s t c i r c u i tf o rm p p tc o n t r o la n dab r i d g e - i n v e r t e rf o rd c a c c o n v e r s i o nc o n t r o lr e s p e c t i v e l y ab i d i r e c t i o n a ld c d cc o u p l e st h ed cl i n kb u st o c o n t r o lt h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n go fb a r e r yb a n kf o rp o w e rs t a b i l i z a t i o n s e c o n d l y , m p p tc o n t r o la n dd c a cc o n v e r s i o ni ss t u d i e d a ni m p r o v e dm p p t m e t h o di sp r o p o s e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gs t r a t e g i e s t h ep r o p o s e d m e t h o di sac o m b i n a t i o no fp e r t u r b & o b s e r v ea l g o r i t h m s ，q 1 m d r a t i ci n t e r p o l a t i o n m e t h o da n dc o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt o v a l i d a t et h em e t h o d f o rd c a cc o n v e r s i o n ，as y s t e mw i t hd o u b l e l o o pc o n t r o li s d e s i g n e do nt h eb a s i so fs y n c h r o n o u sv e c t o rc u r r e n tp ic o n t r o l l e r t h et w ol o o p sa l e u s e dt oc o n t r o lt h ed cl i n kv o l t a g ea n da cc u r r e n t sr e s p e c t i v e l y t h ea cc u r r e n t c o m p o n e n t s aa n d qa r ed e c o u p l e da n dt h es p a c ev e c t o rp w m i su s e dt oi m p r o v et h e a cp o w e rq u a l i t y a l s o ，s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t ss h o wt h eg o o d p e r f o r m a n c eo f t h em e t h o d t h i r d l y , p o w e rs t a b i l i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi ss t u d i e d t h ep o t e n t i a li m p a c t so nt h e 面dc a u s e db yp o w e rf l u c t u a t i o na r ea n a l y z e d t h es y s t e mo p e r a t i o n sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l t h ep va r r a ya c t u a lp o w e rp e ri sf i l t e r e dt h r o u g hal o w - p a s sf i l t e ra n dt h e h i 曲- f r e q u e n c yc o m p o n e n t sw i l lb ec u t t h ef i l t e rr e s u l ti su s e da sr e f e r e n c ep o w e r i n j e c t e di n t ot h e 酣d l o w - p a s sf i l t e rd e s i g na n db i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r o p e r a t i o na r ed i s c u s s e d s i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h ep r o p o s e ds t r a t e g y l a s t l y , ab i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ri sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n d s o f t w a r e a ne x p e r i m e n tp l a t f o r mi sm a d ea n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov a l i d a t e t h ep r o p o s e dp o w e rs t a b i l i z a t i o nc o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r o s ：p vp o w e rg e n e r a t i o n ；m a x i m u mp o w e rp o 血t r a c k i n g ；d c a c c o n v e r s i o n ；e n e r g ys t o r a g es y s t e m ；p o w e rs t a b i l i z a t i o n c l a s s n o ：硼m 6 1 5 v 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1 前言1 1 1 背景和意义一1 1 2研究现状和存在的问题。3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状5 1 2 3 存在的问题6 1 3光伏系统介绍6 1 4本文所做的工作8 2储能型光伏并网逆变器1 0 2 1光伏并网系统的期望运行特性l o 2 2储能型光伏并网逆变器的结构1 0 2 2 1 并网逆变器的结构1 0 2 2 2d c d c 变换器1 2 2 2 3d c a c 变换器13 2 2 4 电池充放电控制器1 4 2 2 5 储能电池。15 2 3本章小结1 6 3光伏并网控制1 7 3 1光伏电池特性1 7 3 2最大功率跟踪控制1 9 3 2 1 原理介绍一1 9 3 2 2 仿真结果与分析一2 3 3 2 3 实验结果与分析2 4 3 3电流逆变控制2 5 3 3 1 有功和无功的解耦控制2 6 3 3 2 空间矢量p w m 2 7 3 3 3 仿真结果与分析3 0 3 4本章小结3 2 4功率平抑控制3 3 4 1功率波动对电网的影响3 3 4 2功率平抑控制策略3 5 4 2 1 并网功率的控制3 5 4 - 2 2 系统运行工况3 6 4 2 3 低通滤波器的设计3 7 4 2 4 双向d c d c 变换器的工作方式3 9 4 3仿真结果与分析4 2 4 4本章小结4 3 5系统实现与实验研究4 4 5 1双向d c d c 变换器的设计一4 4 5 1 1 硬件电路的设计4 4 5 1 2 控制程序的设计4 9 5 2实验平台简介5 2 5 2 1 光伏并网逆变器s g l k 5 t l 简介5 2 5 2 2 直流电源d h l 7 2 2 4 a 3 简介5 3 5 3实验结果与分析5 4 5 4本章小结5 5 6总结5 6 参考文献5 7 作者简历6 0 独创性声明6 1 学位论文数据集6 2 1 1 背景和意义 1 前言 能源是经济发展的重要基础之一，是世界经济的血液。随着世界经济的发展 和人类生活水平的不断提高，世界各国对能源的需求量越来越大。但世界已探明 的主要矿物燃料储量和开采量不容乐观：天然气剩余可采年限6 1 9 年，其占世界 能源消耗总量的2 4 1 0 ；石油剩余可采年限仅有4 1 年，其占世界能源消耗总量的 4 0 5 ；煤炭剩余可采年限2 3 0 年，其占世界能源消耗总量的2 5 2 。而且大规模 开发利用化石能源已经给人类的生存环境造成了严重的后果，如有害气体、粉尘、 酸雨、温室效应和臭氧洞等一系列环境问题。人类文明的高度发展与地球生存环 境的快速恶化形成了一对十分突出的矛盾，能源问题已经成为全球经济和社会发 展的“瓶颈”，是当今世界各国亟待解决的问题之一【l ，2 3 】。 我国经济正处于一个飞速发展的时期，是世界上最大的煤生产国和消费国， 煤炭占能源消费的7 6 ，能源结构不合理，而且能源技术利用水平低，导致了严 重的大气污染，而且能源需求在未来几十年内仍将快速增加。所以，能源问题也 是我国经济和社会发展的“瓶颈”【l 2 ，3 1 。 为解决能源“瓶颈 问题，实现经济的可持续发展，必须大力发展风能、太 阳能、潮汐能、地热能和生物质能等可再生能源。在未来的几十年里，全球的能 源结构将会发生根本性的变化，可再生能源将占据世界能源消费的重要席位。据 预测( 如表1 1 ) 1 1 】，可再生能源在能源结构中的比例，到2 0 3 0 年将在3 0 以上， 到2 l 世纪中叶将在5 0 以上。太阳能资源取之不尽用之不竭，假如把地球表面0 1 的太阳能转化为电能，转换率为5 ，每年发电量就达5 6 6 7 万千瓦时，相当于目 前世界上能耗的4 0 倍，太阳能是当今世界上可以开发的最丰富的能源；太阳能资 源清洁无害，开发利用太阳能不会污染环境，在使用过程中不会产生任何“工业 三废 ；太阳能资源分布广泛，几乎分布在世界的每一个角落，使用时可以因地制 宜，且无须开采和运输。太阳能不但是传统化石能源最为重要的替代能源之一， 还有可能成为世界能源供应的主体，其巨大的潜力越来越受到世界各国的关注。 到2 0 5 0 年，太阳能在能源结构中所占的比例，可能在1 4 以上【l j 。 表1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例 t a b 1 1p o r t i o no f r e n e w a b l ee n e r g ya n ds o l a re n e r g yi nf u t u r ee n e r g ys t r u c t u r e 我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5 0 0 0 公里以上。在中国广阔的土 地上，有着非常丰富的太阳能资源，年日照时数大于2 0 0 0 小时，特别是西藏地区， 最高达到2 3 3 3 k w h m 2 ( 日辐射量6 4 k w h m 2 ) ，居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙 漠。图1 1 是我国陆地太阳能资源的分布图( i ： 6 7 0 0 m j ( m 2 y ) ，i i ： 5 4 0 0 - - - 6 7 0 0 m j ( m 2 y ) ，1 i i ：4 2 0 0 , - - 5 4 0 0 m j ( m 2 y ) ，： 一气 ( 3 - 2 ) 式( 3 1 ) 是一个相当复杂的表达式，在实际中很难应用。但是如果能够找到p v 特性曲线最大功率点附近近似的初等函数表达式，就可以用比较简单的数据处理 方法，求出最大功率点电压。p v 特性曲线在最大功率点附近近似开口向下的抛物 线，所以可以通过选取三个合适的样本点，用二次插值法求出二次函数表达式， 再求出最大功率点。 假设已知三个插值节点( 肪，m 小饥m ) 、0 似j m + j ) ，则插值多项式【3 8 】： 厶( x ) = 儿一l & 一1 ( x ) + y k l k ( x ) + y k + l 厶+ 1 ( x ) ( 3 3 ) 其中： 1 9 k - i ( x ) = 忑( x i - x 丽d ( x 两- x k + 1 )i & 一l 一黾八黾- l 一& + l j 似，= 芸端【一砟一l j 【吒一黾+ l ， k + l ( x ) = 瓦( x j - x k 丽_ 1 ) ( x i - x 习dl 故+ 1 一& 八吒+ l 一j ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 可以得n - - 次函数的一般式： l 2 ) = a x 2 + k + c ( 3 7 ) 其中： 口：丝l 一+ _ 上l 一斗_ 上随一 ( 3 8 ) 吨k ) 瓴嘞蛾) 嘞飞) 、7 6 ：j 芷鱼堑) 十一型叠盟+ - 丝韭 ( 3 9 ) 飞k 嘞) 瓴嘞蛾) 轴黼飞) 、7 c ：一一丝王匾l 一+ - 塑碰虹一+ 立旦墨盎 f 3 1 0 ) 一气概嘞) 魄一轴一确) 一确一砭) 、 ( 一兰，_ 4 a c - b ) 就是二次曲线的最大值点。 z 口口 在拟合光伏电池p 。v 曲线时，只需要将所选取的三个点( 矾，p l ) 、( 醍，删和 ( u 3 ，b ) 作为样本点进行二次曲线拟合，求出二次曲线的二次项系数口和一次相系 数b ，再求出最大值一b 2 a ，则最大功率点电压u m b 2 a 。所以，采用二次插值法， 只需要很少的运算就可以求出最大功率点d 8 】。 但是，如果选取的三个点不合适，例如，选取的三个点都在最大功率点的左 边或者右边，或者三个点离最大功率点较远，拟合出来的曲线将与实际的最大功 率点附近的p v 曲线相差较远，计算出来的最大功率点电压u 将偏离实际的最大 功率点电压，会导致一部分功率损失。如果所选取的三个点分布在最大功率点附 近左右两侧，则拟合出来的曲线将能较好地和实际的最大功率点附近的p v 曲线 吻合，这样计算出来的最大功率点电压将很接近实际的最大功率点电压。如果最 大功率点附近的三个点满足条件1 ： ( 明 沈 踢) & & ( p 2 p i ，p 2 p 3 )( 3 - 1 1 ) 或者满足条件2 ： ( 矾 p 3 ) ( 3 1 2 ) 则三个点就分布在最大功率点两侧，可作为插值点用来拟合曲线。 如图3 - 4 所示，曲线1 是光伏阵列实际的p v 特性曲线，曲线2 和3 是拟合 出来的曲线。曲线2 采用的插值点是电压u = o s u m 、和1 2 对应的三个点， 曲线3 采用的插值点是电压u = o 9 2 、和1 0 8 对应的三个点。可以看出， 当选取的插值点分布在离最大功率点较远的区域时，拟合出来的曲线2 误差较大； 当选取的插值点分布在离最大功率点较近的区域时，拟合出来的曲线3 误差很小。 通过反复比较研究，当插值点分布在( 0 9 2 ，1 0 8 ) 区域内时，拟合出来的 曲线误差很小，可以据此来确定选点的步长。 1 0 8 0 6 t 0 4 0 2 0 00 20 40 60 80 9 211 0 81 2 ， 图3 - 4p v 曲线拟合( 标幺值) f i g 3 - 4p - vc u i v ef i t t i n g ( p u ) 本文提出一种改进的最大功率跟踪控制方法，该方法由扰动观察法、二次插 值法和恒电压法三种方法相结合，控制流程图如图3 5 所示。首先采用传统的扰动 观察法搜索到最大功率点附近的区域，当搜索一段时间后，光伏阵列将会运行在 最大功率点附近；然后选取三个满足式( 3 2 ) 或者式( 3 3 ) 的三个点( u t ，p o 、( 沈， 刿和( 砺，b ) ，进行二次插值计算，求出二次曲线的系数a 和b ，再求出最大功率 点电压；最后采用恒电压法使光伏阵列工作在。为了在光照和温度变化以 后，光伏阵列仍然能工作在最大功率点，可以按一定的周期z 重复进行上述步骤 搜索最大功率点。输出电压的调节通过电压闭环实现，即光伏阵列的工作电压u 作为反馈量，和前级给定的参考电压u r c f 相比较，误差经p i 调节器使光伏阵列的 实际工作电压跟踪给定的参考电压d 引。 光伏阵列的最大功率点电压受光照强度的影响很小，受温度影响比较大。实 际中，光伏阵列的工作温度变化缓慢，光伏阵列的最大功率点电压也不会剧烈变 化，所以在实际应用中搜索最大功率点的周期丁可以选一个比较大的值，如1 5 m i n 。 2 1 图3 5 m p p t 控制流程图 f i g 3 - 5m p p tc o n t r o lf l o wc h a r t 3 2 2 仿真结果与分析 根据上面的分析，在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行建模仿真 4 0 , 4 1 1 ，如图3 6 所示。光伏阵列通过b o o s t 电路和负载连接，通过控制b o o s t 电路使光伏阵列 工作在最大功率点上。在标准光照s = - 1 0 0 0 w m 2 和标准温度产2 8 0 c 条件下，光伏 阵列开路电压u o c = 1 2 3 5 v ，短路电流i = 1 0 6 8 a ，最大功率点电压u r n - - 1 0 3 0 v ，最 大输出功率尸m = 1 0 7 0 0 w 。仿真时，扰动步长彳u = 1 v ，搜索最大功率点的周期 t _ - 1 0 s 。 图3 _ 6 最大功率跟踪仿真模型 f i g 3 - 6m p p t s i m u l a t i o nm o d e l 温度和光照条件如图3 7 ( a ) 所示。图3 - 7 ( b ) 是光伏阵列参考的工作电压，起始 工作电压是1 2 0 v 。首先通过扰动观察法使光伏阵列工作在最大功率点附近，一旦 找到三个合适的样本点，则进行二次曲线拟合并算出最大功率点电压 = 1 0 5 1 v 。起始时的光照和温度分别约为8 9 0 w m 和1 5 t 尸c ，经测量，光伏阵 列在该环境条件下实的最大功率点电压为1 0 5 8 v ，说明参考电压= 1 0 5 1 v 比 较接近实际的最大功率点电压。1 0 s 后，光照和温度分别约为9 0 0 w m 2 和2 5 0 c ， 重新进行扰动观察和二次插值，以调整光伏阵列的工作点，通过二次插值求得的 参考电压坼吨= 1 0 3 5 v 。图3 - 7 ( 0 和3 - 7 ( d ) 分别是光伏阵列实际的工作电压和输出 功率，除了在搜索最大功率点时会有短暂的电压震荡( 如图3 - 7 ( c ) 状态l 和2 ) ，其 他时候工作电压稳定，并且始终保持最大功率输出。 董 赛 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 051 01 52 0 以 ( a ) 温度和光照 1 3 0 1 2 0 蔫1 1 0 1 0 0 9 0 051 01 52 0 曲 ( c ) 实际工作电压 3 2 3 实验结果与分析 莲 ( b ) 参考工作电压 图3 7 仿真结果 f i g 3 7s i m u l a t i o nr e s u l t s ( d ) 输出功率 为了验证本文提出的控制方法，搭建了一个实验平台，b o o s t 变换器采用1 r i 的定点d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制；电池板型号为k d l 3 5 g h 2 p ，该电池板在标准光 照和标准温度下，短路电流五c = 8 3 7 a ，开路电压u o 。= 2 2 1 v ，最大功率点电流 i m = 7 6 3 a ，最大功率点电压“n _ 1 7 7 v ，最大输出功率p m = 1 3 5 w * ( 9 5 1 0 5 ) 。 实验时，扰动步长a u = 0 3 v 。图3 8 是实验结果，尸、门铀u 分别是电池板的 输出功率、输出电流和端电压。起始时，电池板端电压是2 0 v ( 状态0 ) ；然后在 扰动观察法的控制下，电池板端电压开始减小，往最大功率点靠近；接下来，电 池板依次运行在状态1 、状态2 和状态3 ，并且这三个状态对应的三个点( 1 7 0 v ， 1 1 7 1 w ) 、( 1 6 7 v ，1 1 9 2 w ) 和( 1 6 5 v ，1 1 8 2 w ) 满足曲线拟合的第一个条件( 式3 1 1 ) ， 于是进行曲线拟合，并计算出最大功率点电压u m = 1 6 6 7 v ；最后采用恒电压法， 使光伏电池恒定工作在1 6 6 7 v ( 状态4 ) 。其中状态2 是采用扰动观察法搜索到的最 大功率点，比较状态2 和状态4 可以看出，通过二次插值法计算出来的最大功率 点电压相当接近实际的最大功率点电压。实际应用中，可以按一定的周期r 重复 上述步骤，实时调整工作点，这样，光伏阵列只在最大功率点跟踪的时候会有短 暂的电压震荡，而且当环境条件改变时仍能工作在相应的最大功率点。 2 h 3z o o ac h 45 o o vm a t h2 0 o v a1 0 h z 图3 8 最大功率跟踪控制实验结果1 f i g 3 - 8m p p te x p e r i m e n t a lr e s u l t 图3 9 为系统长时间运行的测量结果，期间本文提出的方法一直运行，每隔 1 1 0 s 进行一次最大功率点跟踪。由于光照和温度基本保持不变，尽管系统经过若 干次刷新跟踪，但最终仍运行于原最大功率点。图3 - 9 中，点1 、2 、3 为三次刷新 点。 ；r 篡? 慕；器 ! ；操作 ；匝圆 j 位置 j 一3 0 8d i v 哆u ：5 憾t 5 s , d i v j ；。、。，。 m5 0 以 c 1 4 4 2 1 6 v 簿幂豸麓话镳辐麓节m a t h 霰盲睁诵l 图3 - 9 最大功率跟踪控制实验结果2 f i g 3 - 9m p p te x p e r i m e n t a lr e s u l t 3 3 电流逆变控制 在光伏系统中，电网电压是不能改变的，所以系统输出电能的质量主要依赖 于逆变器输出电流的质量【4 2 】。目前电流控制方法主要包括状态反馈控制阳】、无差 拍控制m 3 1 、空间矢量电流p i 控$ l j 4 2 4 5 1 和模糊控制h 5 】等。本文参考文献 4 2 】，对电 压源型逆变器采用输出电流控制，在与电网电压矢量同步旋转的d - q 坐标系下，应 用同步矢量电流p i 控制器对逆变器输出电流实施闭环控制，实现有功和无功的解 耦控制，达到逆变器输出单位功率因数的并网目的。 3 3 1 有功和无功的解耦控制 光伏系统与电网之间的a 相功率传递向量图如图3 - l o 所示，其中，e 是电网 a 相电压向量，巩。是电感两端电压的基波成分、。是逆变器输出电压的基波成 分，l ，是逆变器输出电流的基波成分，c o 为电网电压矢量旋转角速度。 | p _ 巩c 。s 口：譬( 孕s i n 万) k ：鲁。乒咖) 。1 3 由式( 3 4 ) 可以看出，当滤波电感三和电网电压e 确定后，要调节输送到电网 记【f a ，l b ，i c 】2 为逆变器的输出电流状态量，【虬，砜，玑】2 为逆变器输出电压状态 量，【e a , e b ，】2 为电网相电压状态量，l 为各相滤波电感值，并且忽略其内阻。则 在静止三相a - b c 坐标系下，三相逆变器的状态方程如式( 3 1 4 ) 【2 5 ，4 2 】： 丢 差 = 圭 囊 一圭 圣 c 3 一4 ， ：=、亨一sc缸os研rotc函osn(。ro研t-一1。220。)，cossm(ro。t研+1+2，02。)。，ll“u。,j1=戛塞c35， 式( 3 1 4 ) 两端同时乘【c lc 2 】r ，可以得到如下的表达式： 北 圭 乏 一圭 乏 用c o 、妇和毛表示式3 1 6 左边，可以进一步得到如式( 3 - 1 7 ) 的表达式， 式即为三相逆变器在同步旋转d - q 坐标系下的状态方程。 旦d tl i 。j 二砌o j l 4 卜哮+ 咄+ 卜哮一嘁+ 气 卜知+ e q 4 ) 陪知+ e d d ) 啦h 羽 坐标系下，光伏系统输出的电压和功率表达式为： ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 并进行p a r k 变换，可得到式( 3 2 0 ) 的结论，其中u ( 3 2 0 ) 为如下的表达式m 】： ( 3 2 1 ) 从式( 3 2 1 ) p - 以看出，在与电网电压矢量同步旋转的d q 坐标系下，调节电流 的d 轴分量毛可以控制有功功率尸，调节电流的q 轴分量来控制无功功率q ，实 现有功功率和无功功率解耦控制。若设置q 轴参考电流为0 ，光伏系统输出的功率 因数就为单位功率因数。 3 3 2 空间矢量p w m 目前，应用于三相整流器的空间矢量p w m ( s w w m ) 技术包括固定开关频率 达 力 婊 相值 咿 到雠 压的， p 观 擞鼹陵 和变开关频率两类，这种p w m 方法具有电压利用率高、动态响应快的优点。在三 相桥式逆变器中，如果以1 和0 分别表示开关管的导通和关断，则一共有0 0 0 、1 0 0 、 1 1 0 、0 1 0 、0 1 1 、0 0 1 、1 0 1 、1 1 1 等8 个开关状态，分别对应8 个电压矢量，包括6 个非零矢量u l 、玩和2 个位于原点的零矢量和奶，如图3 1 1 所示【2 5 4 7 4 8 】。 u d 0 1 1 ) u i ( 1 0 0 ) 0 0 0 ) 1 1 1 ) 图3 1 l 空间矢量状态图 f i g 3 - 11s t a t ed i a g r a mo f s p a c ev e c t o r 根据零矢量的分布不同，s v p w m 调制算法有五段式和七段式两种，在此采用 较优的七段式s v p w m 。用两个相邻的非零矢量和一个零矢量合成一个参考电压矢 量，在具体的工程实现中，要保证每次只切换一个开关管，如图3 1 2 ，合成电压 矢量时，可以按砺矾醍坼的开关顺序控制逆变器。下面介绍s v p w m 算法 的工程实现过程。 图3 - 1 2 电压空间矢量的线性组合 f i g 3 12l i n e a rc o m b i n a t i o no fs v p w m 首先，确定电压矢量f 所在扇区。可以根据电压矢量f 和仅轴的夹角口来 确定矢量所在的扇区，下面是根据夹角0 进一步变换得出的判椐。 ( 1 ) 若 0 ，则a = i ，否则彳= 0 ； ( 2 ) 若3 玑一 0 ，则b = i ，否则庐o ； ( 3 ) 若3 虬+ 0 ，则c - 1 ，否则c = o 。 令p = - a + 2 b + 4 c ，最后根据尸值确定扇区号，如下表所示。 表3 - 1 扇区和p 的关系 t a b 3 - 1s e c t o re n q u i r yf o r m 其次，确定相应矢量的作用时间。记 x = 刍( 旭趣) y = 轰( 如啦) ( 3 - 2 2 ) z = 两2 - - c u 。 用t l 表示前一矢量的作用时间，t 2 表示后一矢量的作用时间，t o 表示零矢量的 作用时间。假设上面求得p - - 4 ，则电压矢量在第3 扇区，有下面的关系式： i 丁= - + 乞- - + f 0 _ t = 争u + 争乩 。2 3 故，= - z ，f 2 = x ，t o = 丁一- t 2 。各个扇区内相应矢量作用的时问如下表。 表3 - 2 各个扇区内相应矢量作用的时间表 t a b 3 2e v a l u a t i o no f t l 、t 2 、t o i 瓦= ( 丁一五一t 2 ) 4 瓦= 互2 + 正 【瓦= 互2 + 瓦 ( 3 - 2 4 ) 则在不同扇区的切换点l 、和瓦、死、死的关系如下表所示。 表3 - 3 不同扇区的切换点l 、瓦m 2 、和瓦、死、瓦的关系 t a b 3 3e v a l u a t i o no f 卜瓦i r l 2 、疋l l l 3 本文最后采用的控制框图如图3 1 3 所示，采用电压源型逆变器电流输出控制， 控制系统采用双闭环控制结构。外环控制直流母线电压，实际直流母线电压魄和 给定直流母线的差值作为直流电压p i 调节器的输入，其输出作为对应有功功 率的d 轴电流参考值c ，通过调节逆变器传送到电网的有功功率尸，使直流母线 电压工作在给定参考电压。内环为电流控制环，在与电网电压矢量同步旋转的 d q 坐标系统下，利用两个p i 调节器对逆变器输出电流的d 轴分量和q 轴分量进 行解耦控制，p i 调节器的输出分别为玩和玩。根据玩和矿以及电网电压矢量旋 转角度0 的值，利用7 段式空间矢量p w m 调制算法即可得到三相参考电压z 、 的调制波形。为了使逆变器输出功率因数为1 ，设置c 为0 1 4 2 】。 3 3 3 仿真结果与分析 图3 1 3d c a c 控制框图 f i g 3 - 13d c a cc o n t r o lf l o wc h a n 仿真模型如图3 1 4 所示。仿真条件为：温度保持在2 8 0 c ，光照强度保持 1 0 0 0 w m 2 ，直流母线参考电压为6 0 0 v ，电网相电压2 2 0 v ，系统额定容量为6 k w 。 p v l 亨 一：譬v z 罐 广 图3 1 4 电流逆变仿真模型 f i g 3 - 1 4d c a cc o n v e r s i o ns i m u l a t i o nm o d e l 图3 1 5 ( a ) 是直流母线电压，始终稳定在6 0 0 v 上下；图3 5 c o ) 是锁相环的仿 真结果；图3 1 5 ( c ) 是逆变器输出电流，波形质量好；图3 1 5 ( d ) 是光伏系统输出的 功率因数，可以看出，功率因数始终接近于1 。 2 1 耋6 0 0 5 9 9 5 9 8 3 0 1 5 0 1 5 3 0 i l - - - 。_ i - - i i - 一一 。r t 。，r 0 20 40 60 8 t s ( a ) 直流母线电压 0 60 6 20 6 40 6 6 饴 ( c ) 输出电流 1 o l 1 0 0 6 1 0 0 2 弋 l 0 9 9 8 0 9 9 4 o 9 9 括 ( b ) 电压矢量相位0 。一1 i - m n r t 一| l 一一 0 6 80 7 图3 1 5 逆变仿真结果 f i g 3 - 15s i m u l a t i o nr e s u l t s 0 20 40 60 8 论 ( d ) 功率因数 占一 3 4 本章小结 本章介绍了光伏电池的电气特性，分析了光照和温度对光伏电池v - i 特性和 p v 特性的影响。在某一光照和温度条件下，光伏电池存在一个唯一的最大功率点， 并且，最大功率点电压受光照影响小，受温度影响大。 研究最大功率跟踪时，在分析各种控制方法的基础上，针对传统控制方法的 不足，提出了一种改进的控制方法，该方法由扰动观察法、曲线拟合法和恒电压 法相结合，综合了这三种控制方法的优点。对本文提出的控制方法进行了仿真和 实验研究，结果表明，本文提出的控制方法可以快速准确地搜索到最大功率点， 可以使光伏阵列稳定运行在最大功率点处。 本章还深入研究了电流逆变控制，详细推导了逆变器的有功无功解耦控制， 介绍了空间矢量p w m 的实现过程，仿真结果表明，这种控制方法可以使并网输出 功率因数接近于1 ，逆变器输出的电流和电网电压同频同相，电流波形质量好。 3 2 4 功率平抑控制 光照是不可控和不可预测的，有时候变化较快，特别是受云层的影响，光照 强度会发生剧烈的变