中文翻译-光伏（PV）电站接入电网的分析与控制

中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 1 页 共 14 页光伏（PV）电站接入电网的分析与控制作者：Chris S.Edrington，IEEE 高级会员；Saritha Balathandayuthapani，IEEE 会员；曹姜武摘要：本文研究分两部分，光伏（PV）电站通过共直流母线连接到一个集中的变频器系统，该系统与电网相连。文中使用了分布式网络模型，负荷模型和直流母线模型来进行仿真分析。光伏发电系统具有非线性伏安特性，一个增量电导法控制的中间直流变换器被用来控制光伏阵列工作在最大功率点。集中式逆变器通过分离电流控制的方法来控制，并通过配电变压器连接到电网。逆变器的控制完全独立于中间直流变换器的最大功率点控制。最后，依据太阳辐射的变化和分布网络参数对系统稳定性进行了评估。关键词：光伏，光伏阵列，两个阶段，电压源转换器，最大功率跟踪。一 符号表变器过滤的电压负载电压 变电站母线电压直流母线电压I 逆变器电流PC 控制和负荷之间的分布线电流1负载和电网之间的分布线电流2 负荷电流光伏阵列输出电流， 光伏阵列输出电压 P 光伏发电系统的实际输出功率Q 光伏发电系统的无功功率输出中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 2 页 共 14 页N 接口变压器匝数比L 端口电感R 端口电阻并联电容PCC 和负荷之间的线性电阻1PCC 和负荷之间的线性电感1负荷和电网之间的线性电阻2负荷和电网之间的线性电感2光伏阵列出口侧滤波电容1直流总线电容 直流母线电阻直流母线电感 角速度 参考相角二 引言可再生能源，如太阳能，风能，生物质能和燃料电池是常规发电的良好替代品。近年来，由于光伏电池阵列成本的降低，中型光伏系统接入电网正变得越来越普遍。 接入电压等级提升到 30 千伏，功率范围在 10-100 兆伏安的中型光伏电站允许接入交流电网。太阳能电力公司计划在佛罗里达州安装商业规模达 25MW 容量的光伏电池板，在世界各地，太阳能电力公司已经安装了超过 400 兆瓦的大型太阳能发电系统。为确保电网运行的可靠性，对光伏发电系统的性能进行分析是十分有必要的。 光伏发电系统，可以使用单段或两段拓扑连接到电网。在一个两段的多个转换器的配置方案中，一个或两个光伏阵列连接到一个逆变器上，如图1 所示，这种方案更适合中等功率的系统。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 3 页 共 14 页图 1 集中式结构在直流/直流转换器中应用最大功率点跟踪（MPPT）技术可以实现光伏发电系统最大的效率。在一个给定的成本下，直流/ 直流转换器的降压和升压转换存在最高的效率点 2。由于阻塞二极管阻止反向电流流入光伏电池, 相比降压转换器，升压转换器具有显著的优势 3，同时，升压转换器中使用增量电导法来进行控制。增量电导技术 4可以利用数字信号处理器来实现，数字信号处理器可以持续跟踪以前的电流和电压值，并作出交换决策。逆变器的电流控制是通过一个动态响应快，用于消除三相逆变器的稳态电流误差的同步参考系来实现的。在参考文献5中，对电流解耦控制和 MPPT 控制均有论述，然而，分布式网络模型和直流母线模型没有被考虑到。此外，光伏系统并入电网的详细分析，目前尚未完成。以前的许多工作对光伏系统接入电网有所研究。 参考文献6的作者进行了单相两级光伏系统直流母线模型的研究。文献7提出，在一个着重于本征分析的单相两级光伏系统中隔离 DC/DC 转换器。多个光伏发电系统共用升压转换器和逆变器的应用在文献8中有说明。与光伏逆变器相连的共用交流总线通过一个接口端子与电网相连。然而，在文献7和文献8中，没有用分布式网络模型和负荷模型来分析问题。参考文献9对一个连接到公用电网的单级光伏系统有详细的分析，文中使用分布式网络模型和负荷模型对系统的稳定性进行了分析。文章指出，集中式逆变器和 DC 总线模型的光伏系统，没有被用于以往的任何研究。在本文中，对两级的光伏发电系统进行了仿真分析，这一类光伏系统通过直流母线连接到一个与电网连接的集中式逆变器上。分布式网络模型，负荷模型，中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 4 页 共 14 页直流母线模型被用于仿真分析。在逆变器中实现最大功率点控制，在电压源型逆变器（VSI）中实施解耦电流控制。本文的其余部分主要内容如下，在第三节中对光伏系统进行了描述，在第四和第五节中对 DC/DC 转换器和逆变器控制系统进行了讨论，第六节对小信号分析进行了讨论，第七节对模拟结果进行了讨论，第八节为结论。三 系统描述图 2 展示了一个连接到电网的光伏系统的单线图。 每个光伏组件是一个由176 行和 150 竖列组成的阵列。光伏输出是高度非线性的，因此不能简单的用一个电流或电压源与二极管并联来代表。光伏模块的模型是使用 PLECS 的库元件来建立的 10，如图 3 所示。图 2 并入电网的光伏系统单线图图 3 光伏模块模型光伏组件的输出电压 是太阳辐射及环境温度的函数。电压 通过直流输 电线路被送入逆变器。我们把直流线路看做一个短距的输电线路，并由 RL 电路等中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 5 页 共 14 页效表示。升压转换器与集中式逆变器之间的距离被认为与前者相等。电容 Cdc是直流环节逆变器的输入电容。在共同耦合点（PCC）通过接口端子，逆变器的输出与分布式网络相连。滤波电容 为逆变器产生的电流谐波提供低阻抗路径。分布式网络由变压器 ，负载和电容器 组成。电容器 用于负载功率因数1 1 1校正。低压侧的 三角型连接到光伏逆变器，其高压侧有接地的星形连接。负载1和 PCC 之间的输电线路由 和 代表。分布式网络通过由 和 代表的传输线连1 1 2 1接到电网的变电站母线电压，假设由一个短线相连。四 升压变换器的控制高初始成本及光伏阵列的寿命有限，使得从中生产出尽可能多的电能变的十分重要。参考文献中已提出几个 MPPT 算法，增量导纳法是其中应用较流行的方法之一。光伏阵列必须工作在最大有功功率电压上，使光伏系统以最大功率运行。增量导纳控制策略是基于光伏阵列功率曲线的斜率在最大功率点（MPP）为零，在MPP 的左侧为正和 MPP 的右侧为负的事实。通过比较瞬时电导（i/ v）和增量电导（i/V） ，来调整参考电压 。 在最大功率点上， 是等于 。一旦 达到最大功率点，光伏阵列的运行保持在 ，除非 i 有一个变化，这时跟踪算法递减或递增 以达到一个新的最大功率点。增量的大小决定了重新达到最大功率点的速度有多快。图 4 升压转换器简图中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 6 页 共 14 页在升压转换器中，输入端电容电压和电导增量法中的 作比较。当电容电压超过 ，开关接通，电容放电。当电容电压降低低于下限，开关关闭。升压转换器所需的开关频率选定为 20KHZ。下限是开关频率和电流 的函数。在开关频率和电容值 之间有一个取舍以获得所需的电压变化。此控制策略在文献 121中被用于控制电流源逆变器的降压转换器。在本文中，在图 4 中所示的同一控制策略用于控制电压源逆变器中的升压转换器。五 电压源逆变器控制变频器的实际输出功率是受 控制的，无功功率由 控制。在分布式网络中， 电压 和光伏组件的 被用于计算变频器的实际输出功率。 从逆变器注入到网络中的无功功率 设置为零。当输出电压和参考功率为已知时，参考电流可以通过功率计算计算出来。参考值的计算依据是 错误信号 = - 和 = - 输入到 PI 控制器，PI 控制器的常量选择如 下 其中， 是电流控制回路的时间常数。逆变器开关频率为 3 kHz，时间常数 取小于十倍以上的开关时间 9。它应该选择较小的数值以满足电流控制的快速 响应，但又要足够大使得封闭电流回路的带宽是小于开关频率的。六 小扰动分析中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 7 页 共 14 页在 Matlab 中，我们建立了并网系统的线性模型用于稳定性分析。整个系统是由以下公式给出的 此线性模型是光伏发电系统稳态工作点的函数。特征值位于 S 平面的左侧时，系统是稳定的。通过和 PSCAD 的开关模型比较，来验证该模型的仿真结果。在0.7 秒的时间内，光伏阵列 2 中太阳辐射 S 在 1 和 0.5 之间变化。接口电流的变化在图 5 中比较给出了。稳态电流都是相等的，但瞬态电流是不一样的，因为升压转换器的动态变化没有考虑进线性模型中，在未来的研究中，我们打算在研究中纳入升压转换器动态特性。图 5 a.PSCAD 开关模型 b. Matlab 线性模型七 仿真结果中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 8 页 共 14 页图 2 中所给模型的仿真已通过 Simulink 和 PLECS 完成了。系统的参数列于表一。表 1 仿真系统参数A. 在光伏阵列 PV1 和 PV2 中太阳辐射 S=1 整流二极管，异步电动机和 RL 负载连接到配电网络。在表一中负载的大小是合理的。光伏模块太阳辐射 S=1（即 1000 w/m2） ，dq 轴逆变器电流如图 6 所示。光伏逆变器直流电压 如图 7 所示。PCC 电压和电流如图 8 所示。中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 9 页 共 14 页图 6 逆变器电流 和 ， PV1 和 PV2 中 S=1 图 7 逆变器电压 ，光伏阵列中 S=1中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 10 页 共 14 页图 8 PCC 电压、电流，光伏阵列中 S=1B. 光伏阵列 PV2 中太阳辐射的变化在 0.4 秒内，使第二个光伏组件的太阳辐射从 S=1 变化到 S=0.2，引起系统震荡。可以看出，PV2 的运行点有一个变化，逆变器的电流如图 9 所示做相应的变化。变频器电压 如图 10 变化。图 9 太阳辐射变化时逆变器直流电流 中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 11 页 共 14 页图 10 太阳辐射变化时逆变器直流电压 C. 光伏阵列 PV2 故障运行当一个光伏模块出现了故障，在升压转换器处把它和正常模块孤立开。第二个光伏模块在 0.4 秒时进行仿真，它显示只有当第一个光伏模块 PV1 供电给变频器时，该系统才保持稳定。逆变器的电流变化如图 11 示。图 11 光伏阵列 PV2 断开时逆变器直流电流 中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 12 页 共 14 页D.电网负荷变化等效 RL 负载连接到电网，整流二极管在 t=0.35 时导通，光伏电能引入配电网络。光伏模块工作在最大功率点，非线性负载的引入增加了逆变器电流的谐波含量。图 12 显示了电网电流 RMS 值的增加，以提供非线性负载和逆变器输出电流所需的电力。当异步电动机在 t=0.3 秒开始运行，网络中出现峰值电流。在图 13中可以看到它反映了逆变器电流的瞬变。图 12 电网中带非线性负载时的电网电流和逆变器电流 中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 13 页 共 14 页图 13 电网中异步电机启动时逆变器电流 E.电网电压降整流二极管和 RL 负载接入电网，在 t=0.35S 时，电网电压下降 20，经200ms 电压恢复到原水平。当电压降落超过了一个较长的时间（200 毫秒） ，光伏发电系统崩溃。在我们的模型中，光伏发电系统是稳定的，如图 14 所示，它能够恢复其初始值。基于解耦电流控制算法，光伏系统是稳定的。图 14 电网电压降落时逆变器电压 和电流 ，故障 200ms 后解除 F.直流母线故障RL 负载连接到网络中，在 t=0.5s 时，接近电压源逆变器的直流母线出现故障。直流电压下降到零，端口电流瞬态值如图 15 所示。在 t=0.6 秒时断路器打开。t