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文档简介
光伏发电控制技术新能源发电技术光伏发电控制技术本章内容:光伏发电系统最大功率点跟踪技术光伏发电运行控制技术光伏发电系统防孤岛运行策略
光伏发电控制技术新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术光伏电池端口特性曲线:端口电压较低,光伏电池恒电流输出,随着端口电压增大,输出功率线性增大;端口电压较高,光伏电池处于恒电压工作模式,输出功率开始下降。当前光伏系统能量转换效率低,会显著受到日照辐射量和温度的影响;为有效提高光伏电池的运行效率,采用最大功率点跟踪技术,传统的MPPT优化算法有:①定电压跟踪法、②扰动观察法、③导纳增量法等光伏电池的输出特性新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术一、定电压跟踪法传统开环的MPPT算法:工作原理:对于光伏电池,在同一温度、不同光照强度下的最大功率点近似分布在一条恒定电压线的附近,因此将其端口电压控制为最大相同温度不同光照条件下的光伏电池特性功率点电压,即得到不同光照强度下的近似最大功率。光伏电池的最大功率点电压Vm与开路电压Voc之间存在近似的比例关系:*
——取决于光伏电池的特性,通常取值为0.8。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术一、定电压跟踪法传统开环的MPPT算法:缺点:相同温度不同光照条件下的光伏电池特性未能考虑温度变化;环境发生变化时,系统无法自动跟踪新的最大功率点,能量损耗增加,跟踪效率降低。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术一、定电压跟踪法附加功率反馈的定电压跟踪法:在传统算法基础上串联输出功率-电压变化量判别环节:附加功率反馈的定电压跟踪法附加功率反馈的定电压跟踪法流程图端口电压<Vm,dPv/(dV)<0,控制端口电压增大;端口电压>Vm,dPv/(dV)>0,控制端口电压减小;dPv/(dV)=0时,搜寻到新的最大功率点。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术一、定电压跟踪法优点:控制简单且易实现;系统工作电压具有良好的稳定性。缺点:最大功率点跟踪精度差;跟踪控制的适应性差,对外界环境条件的变化不具有追踪能力。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法定步长扰动观测法:工作原理给予光伏电池初始的端口电压,扰动观测法的基本搜寻逻辑示意对输入电压进行有限变化,检测输出功率的变化大小和方向,进一步对输入电压进行有限变化,从而实现光伏电池的自寻优控制。特点:光伏电池的电压步进长度决定了MPPT的追踪效率和追踪精度,电压步进长度无限小促使MPPT无差,但会导致计算过程缓慢。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法定步长扰动观测法:电压振荡情况(T1时刻,工作点电压为Vp)工作点变为最大功率点,即Vp_1=Vm:光伏电池电压进入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振荡。工作点偏移至最大功率点右侧,即Vp_1>Vm:Pv_1>PvPv_1<PvPv_1=Pv扰动观测法的电压振荡情况1新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法定步长扰动观测法:电压振荡情况(T1时刻,工作点电压为Vp)Vp_1>Vm,Pv_1>Pv:光伏电池电压进入Vp→Vp_1→Vp_2→Vp_1→Vp的周期性振荡,电压振荡幅度为2ΔV,且正向电压偏移幅度大于负向电压偏移幅度。扰动观测法的电压振荡情况2.1新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法定步长扰动观测法:电压振荡情况(T1时刻,工作点电压为Vp)Vp_1>Vm,Pv_1<Pv:光伏电池电压进入Vp→Vp_1→Vp→Vp_2→Vp的周期性振荡,电压振荡幅度为2ΔV,且正向电压偏移幅度小于负向电压偏移幅度。扰动观测法的电压振荡情况2.2新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法定步长扰动观测法:电压振荡情况(T1时刻,工作点电压为Vp)Vp_1>Vm,Pv_1=Pv:振荡模式与步进判定规则有关:如果步进判定规则设定光伏电池电压:不再调整:未达到最大功率点,系统未能实现MPPT;增大:则系统进入类似于2.1和2.2中的三点振荡状态;减小:系统进入Vp→Vp_1→Vp的两点振荡状态。缺点:存在判定速度和判定精度的矛盾以及判定振荡的问题。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术二、扰动观测法变步长扰动观测法(基于变步长的逐步逼近法):工作原理在开始搜索时,采用较大的步长搜寻最大功率点所在区域,然后在每一次改变方向时将步长缩小,如此循环,每一轮新的搜索都能成倍提升搜索精度,在未显著增加搜索次数的前提下,搜索精度得到了指数形式提高。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术三、导纳增量法光伏电池MPPT策略通过搜索dPv/(dVp)=0的工作点,确定最大功率点,对输出功率进行全微分:则dPv/(dVp)可进一步表示为:(判定其正负性的依据)当dPv/(dVp)=0时,上式可写为:新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术三、导纳增量法工作点判定依据:dIp/dVp与Ip/Vp的关系图区别:导纳增量法:用当前状态判断,能锁定最大功率点状态;扰动观测法:用状态趋势判断,不能锁定最大功率点状态。新能源发电技术光伏发电控制技术4.1光伏发电系统最大功率点跟踪技术三、导纳增量法特点:①控制效果好;②控制稳定度高;③功率-电压曲线不会因外界环境条件及时间变化而改变其单峰曲线的属性,因此导纳增量法无原理性误差。导纳增量法流程图新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术本节内容:基于矢量控制的光伏系统运行策略基于虚拟同步发电机的光伏系统运行策略新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于矢量控制的光伏系统运行策略控制系统:①电压外环控制;②电流内环控制。并网变流器输出电压和电网电压的关系表达式为:并网变流器双馈机组网侧变流器相同问题:①电流耦合;②电压扰动影响电流控制。①②新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于矢量控制的光伏系统运行策略解决方案:①对d、q轴电流进行解耦;②对电压扰动作前馈补偿。带解耦和扰动补偿的电压电流双闭环矢量控制框图新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于矢量控制的光伏系统运行策略通过直流母线电压控制环节,得到并网电流参考矢量:并网变流器输出电压为:其中:新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于矢量控制的光伏系统运行策略优点:有功/无功功率控制迅速、解耦;电能质量优越。缺点:采用电流源控制,无法参与电网频率及电压支撑;采用电力电子器件并网导致缺乏一定的惯性,可能引发稳定性问题。新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于虚拟同步发电机的光伏系统运行策略有功功率控制和频率稳定的虚拟转子运动方程可表示为:变流器无功功率控制采用无功-电压下垂控制,电网电压幅值可表示为并网变流器输出电压的相位角和幅值分别为:新能源发电技术光伏发电控制技术4.2光伏发电运行控制技术基于虚拟同步发电机的光伏系统运行策略电网频率支撑调整有功功率输出电网电压支撑调整无功功率输出变流器电压输出相位和幅值由虚拟同步发电机的P、Q产生。基于虚拟同步发电机的并网光伏系统控制策略新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略光伏发电系统孤岛效应基本原理光伏变流器与本地RLC负荷相连,当电网接触器(S1)断开瞬间,RLC上仍有电流,导致并网点仍光伏并网系统等效电路图有电压。S1断开前,变流器、本地负载、电网的关系:S1断开时,系统处于孤岛运行状态。RLC为并联支路,并网电压和频率均满足:新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略光伏发电系统孤岛效应基本原理接触器开关瞬间前后,并网点电压分别满足如下表达式:电网电压作用光伏变流器作用光伏并网系统等效电路图新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略光伏发电系统孤岛效应基本原理因此,孤岛运行时,并网点电压幅值Vis、电压频率fis与Vg、fg的关系为:根据并网点电压幅值和频率可以检测孤岛运行状态。光伏并网系统等效电路图新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略孤岛检测方法通过电网与并网光伏系统的无线电通信实现远程检测电网端的发送器发送信号,通过电力线路传递信息,用户端的接收器检测电网上是否有发生器发送的信号,如果没有收到则认为电网已经断开。光伏变流器的局部反孤岛策略被动式光伏检测法主动式光伏检测法新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略被动式光伏检测法及检测盲区过电压/欠电压孤岛检测法基本原理当光伏变流器检测到并网点电压幅值超出标准容许电压范围时,下发变流器脉冲封锁指令,以控制变流器停机,实现反孤岛运行。检测盲区并网变流器采用功率控制模式:并网变流器采用电流控制模式:新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略被动式光伏检测法及检测盲区过频/欠频孤岛检测法基本原理当光伏变流器检测到并网点电压频率超出标准容许频率范围时,下发变流器脉冲封锁指令,以控制变流器停机,实现反孤岛运行。检测盲区光伏系统采用恒功率控制:新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略被动式光伏检测法及检测盲区过频/欠频孤岛检测法检测盲区光伏系统采用恒电流控制:新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略被动式光伏检测法及检测盲区相位跳变检测法基本原理测量并网点电压和变流器输出电流之间的相位差值,当相位差值大于定值,则判定系统处于孤岛运行状态。检测盲区新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略被动式光伏检测法及检测盲区电压谐波检测法基本原理当电网跳闸后,并网变流器的谐波电流在负载阻抗中形成谐波电压,电压畸变导致非线性负荷进一步发射谐波电流,从而恶化并网点电压质量。检测阈值设定困难。新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略主动式光伏检测法基于频率偏移的主动式孤岛检测方案基本原理光伏并网变流器向电网注入略微畸变的电流,当电网与变流器未断开时,并网点频率不可改变,当电网断开时,频率产生持续的单向偏移,从而实现孤岛检测。主动式频率偏移法施加的电流波形新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略主动式光伏检测法基于频率偏移的主动式孤岛检测方案基于频率正反馈的主动频移反孤岛策略将死区时间与交流周期的比值定义为死区分数,每个周期的死区分数由上一个周期的死区分数和当前变流器端电压频率与电网电压频率偏差共同决定,如:优点(1)降低对电能质量的影响;(2)减小检测盲区。新能源发电技术光伏发电控制技术4.3光伏发电系统防孤岛运行策略主动式光伏检测法基于功率扰动的主动式孤岛检测方案基本原理周期性地改变光伏并网变流器的输出功率,使其与电网断开后,输出的有功功率与负荷有功功率关系平衡,从而使得并网电压幅值越限。在变流器电流指令参考基础上叠加电流干扰信号:当变
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