【《光伏并网系统原理及关键技术综述》4700字】

光伏并网系统原理及关键技术综述目录TOC\o"1-3"\h\u11987光伏并网系统原理及关键技术综述 1276551.1PLL锁相技术 1122271.2正负序分离技术 290791.3SPWM调制技术 4145441.4LCL型滤波器 5245391.5比例积分控制技术 7194971.6准比例谐振控制技术 81.1PLL锁相技术当电网发生三相不对称故障时，电网电压会发生畸变，为保证在电网发生故障时，也能使并网系统持续向电网输送功率，要求系统能够快速且准确的获取电网电压的频率和相位信号。锁相环(PhaseLockedLoop，PLL)即外部输入信号相位频率跟踪系统，是电力电子装置并网控制系统的重要环节，该环节直接决定了控制系统的性能和稳定性。在光伏并网系统的控制中，为得到变流器的控制信号，采样得到的电压、电流值和PWM的调制波需要在三相静止坐标系、两相静止坐标系、正负序同步旋转坐标系中连续变换，因此PLL的应用十分重要。本研究采用基于基波分量定q轴电压的PLL软件锁相技术[23]。其实现过程为：首先将采样得到的电网电压值经过Clack变换和Park变换同步至同步旋转坐标系，得到Ud和Uq；接着将Ud和Uq通过复数带通滤波器得到其基波分量；之后将0与Uq的差带入PI控制器进行比例积分调节；然后将控制器输出量与电网额定角频率相加再通过积分器得到电压的初始相位角；最后将初始相位角通过选择器和比较器，得到电压的实际相位角。过程中使用的Clack变换和Park变换矩阵公式为（1.1）和（1.2）。（1.1）（1.2）基于基波分量定q轴电压的PLL软件锁相技术的技术难点在于数字实现复数带通滤波器，其数学表达式为（1.3）。（1.3）其中，c为带宽，r为谐振频率。在PSCAD中通过将其差分方程放入程序段实现复数带通滤波器，其差分方程的数学表达式为：（1.4）1.2正负序分离技术当电网发生故障时，可能会导致三相电压的不平衡跌落。此时电网电压、电流可能会存在正序分量、负序分量和零序分量。太阳能发电并网系统多采用三相三线制，可不考虑零序分量的影响。为实现对负序分量的控制，需要引入正负序分离环节，直接对电压电流中的正负序分量进行控制，以实现精确检测和对正负序电压电流分量的独立控制。本研究采用T/4时延法实现正负序分离[24]，这种正负序分离方法简单易懂、可靠性强，在各个领域中被广泛使用。该方法用到的基于两相静止坐标系的采样电压的矢量代数式及其延时T/4后的矢量代数式分别为（1.5）和（1.6）。（1.5）（1.6）其中，eP和eN分别为三相静止坐标系下电压值的正负序分量；eα和eβ分别为两相静止坐标系下的电压值；φp和φn分别为电压正负序分量的初始相位值；根据式（1.5）和式（3,6）可以推导其基于两相静止坐标系的正负序分量的矢量代数式（1.7）。（1.7）其中，ePα和eNβ分别为两相静止坐标系下电压值的正负序分量；通过Park变换，可以得到基于两相旋转坐标系的正负序分量矢量代数式（1.8）。（1.8）其中，ePd和eNd分别为两相旋转坐标系下d轴的电压值正负序分量；ePq和eNq分别为两相旋转坐标系下q轴的电压值正负序分量；θ为PLL锁相环得到的采样电压实际相位。在PSCAD中，通过编程实现T/4时延法。由于电网频率为50Hz，因此设置采样频率为5000Hz。设置相关量的数组维数为26，每次对其中的25个采样值进行迭代，再对第1个和第26个采样值进行坐标变换，达到延时T/4的效果。在PSCAD仿真模型中，对采样值进行坐标变换和计算得到电网侧电压在两相旋转坐标系下的正序分量波形如图1.1，负序分量如图波形如图1.2。图1.1电网电压正序分量图1.2电网电压负序分量从图1.1和1.2中可以看出，设置电网额定电压为0.38kV，当系统以单位功率因数运行，达到稳定状态时，在两相旋转坐标系下，d轴正序有功电压分量为0.38kV，q轴正序无功分量为0；而d轴与q轴的负序电压分量大小相同，相位相差一个角度，且都以±0.01kV的微小峰值成正弦规律变化，可以近似认为是0。因此可以验证T/4延时法进行正负序分离的有效性。1.3SPWM调制技术SPWM调制技术的理论基础是采样控制理论中的面积等效定理，即如果两个脉冲的冲量相等，即使它们的形状不同，在惯性环节中，这两个脉冲的控制效果依然相同。也就是说，在固定的时间内，面积相等的正弦波与该时间段内的电压脉冲所含有的能量相等。上个世纪80年代，S.R.Bowers第一次通过SPWM调制技术控制逆变器，达到了较好的控制效果，从此逆变器控制技术开始得到发展[25]。依据变流器空间电压/电流矢量切换，通过对一系列脉冲宽度进行调制，得到逆变器的开关信号，使其输出的脉冲与希望输出的正弦波在相同时间内面积相等。通过改变调制波的频率和幅值可以调节逆变器输出的频率和幅值。本研究采用三相桥式逆变器，它的三个桥臂开关进行不同组合时，可以组合成八种开关量。为防止电路出现故障，其上、下桥臂不允许同时开通或同时关断。其开关向量在两相静止坐标平面形成了六个扇区，如图1.1。其中U0（0，0，0）和U7（1，1，1）为零矢量，处于原点位置。图1.1基本电压矢量SVPWM的调制需要实时检测调制电压矢量的大小和方向，并判断电压所处的扇区，利用该扇区相邻的向量和零矢量合成电压矢量。同时按照计算公式计算出该矢量的作用时间，得到具体的控制信号。1.4LCL型滤波器根据并网要求，并网电流除了在相位和频率上有要求，其电流质量，即电流中的谐波含量也需要符合国家要求的标准，各次谐波畸变率不超过3%总谐波畸变率不超过5%[26]。光伏并网系统采用变流器并网，其使用的电力电子设备会在输出电流中产生大量谐波，为减小输出电流的谐波，需要在逆变器和电网端中间装设滤波器来抑制谐波。目前，在实际工程中常用的滤波器有三种，分别是L型、LC型和LCL型。L型滤波器是一阶滤波器，具有电路结构简单，易实现的优点，但是滤波效果不够理想；LC型滤波器可靠性高且价格实惠，但是在光伏系统并网的模式下LC滤波器中的电容C可以看成是电网的一个无功负载，导致LC滤波器的实际滤波效果等同于L型滤波器，无法实现有效滤波；LCL型滤波器为三阶滤波器，具有较强的抑制谐波的能力，而且需要的电感量较小，体积小的同时价格也实惠，常常被用在含有大功率传输系统的电路中。图1.2LCL滤波器原理示意图为有效抑制高频谐波电流，本研究采用了LCL型滤波器对逆变器输出进行滤波。由图1.2分析可知，L1上的电流I1是由其阻抗XL1和电容C支路与电网侧电感L2支路的并联阻抗XC//L2共同决定的。根据电路阻抗并联原理，在开关频率处XC//L2的阻抗值主要由XC决定，因此XC//L2不会太大，I1也不会因为并联阻抗的串入而有太大变化。逆变器输出纹波的大小主要取决于L1的大小。利用电感与电容对不同频率分量所呈现的阻抗差异，对输出电流进行滤波。电感L1、L2的阻抗大，电容C阻抗小，为对逆变器输出的高频电流分量进行阻抗分流，此时电容C提供了低阻分流通道；而输出电流中的低频分量则通过L1、L2直接进入电网侧。由于LCL型滤波器具有固有谐振点，会增大并网电流的谐波分量，为解决这个问题，在实际应用中常常会在电容支路中串联一个电阻。这样随着阻尼电阻的取值不断增大，对谐振峰值的抑制也会更加强烈。但是增大电阻会使得系统功率损耗增加，效率减小，因此阻尼电阻需要选择在合理区间内。在选择电感时，应满足式（1.9），电容的选择应满足式（1.10）。（1.9）其中，UDC为直流侧电压；ΔI为纹波电流；Im为并网点电流峰值；Um为并网点电压峰值；fs为器件开关频率；b为基波角频率。（1.10）其中，UN为电网额定电压。1.5比例积分控制技术在对并网变流器进行PQ控制时，普通的功率分析理论已经无法满足实际工程中对逆变器的控制需求。本研究引用了由赤木泰文等学者于1983年提出的瞬时无功理论。该理论利用坐标变换将三相电路的瞬时功率分解为负载消耗的瞬时有功功率和在电路元件之间流动的瞬时无功功率。根据该理论的发展，三相电路中每一项的电压瞬时值ua、ub、uc，电流瞬时值ia、ib、ic都可以变换到dq坐标系中。经过推导，可以得到有功功率和无功功率与电压电流瞬时值在dq坐标轴下的关系式，如式（1.11）。（1.11）将id定义为输出电流的有功分量，决定逆变器输出有功功率的大小；将iq定义为输出电流的无功分量，决定逆变器输出无功功率的大小。PI控制器是一种线性控制器，其控制原理是通过对输出实际值与给定参考值的误差进行比例放大，积分累加从而进行反馈调节。PI控制器响应速度快，可以改善系统的稳态性能，消除稳态误差。其传递函数H(s)如式（1.12）所示。（1.12）本研究采用电压电流双闭环PI控制策略，外环通过对从MPPT控制输出的电压进行PI控制，得到d轴电流分量，再根据电网电压跌落深度得到q轴电流正序分量，通过对这两个电流分量进行计算可以得到d轴电流正序分量。内环为电流PI控制，令q轴和d轴的负序电流均为零，对双轴的正负序电流及其参考电流分别进行PI控制，得到逆变器的输出电压矫正量，再结合电路的拓扑结构，得到需要的电压输出量，利用坐标反变换，得到电压控制信号，实现逆变器并网控制。具体控制策略框图如图1.3。图1.3光伏并网逆变器PI控制策略框图1.6准比例谐振控制技术根据并网逆变器在两相静止坐标系的数学模型，在电流内环中设置PR比例谐振控制器。其传递函数表达式如式（1.13）所示。（1.13）式中Kp为比例调节系数，其作用是减小稳态误差，调节系统动态性能，在H1(s)中其与传统PI控制中的比例系数作用相同；Kr为谐振项系数，为谐振角频率。谐振环节利用不同频带的增益变化，放大中心频带的电流分量，并抑制除中心频带以外的其他电流分量，从而达到电流调节的目的。在MATLAB中画出谐振环节取Kr=1，=100π时的伯德图，如图1.4。图1.4谐振环节伯德图从图1.4中可以看出，如果在谐振频率附近频段过窄或者增益过高，会令逆变器对负载波动变得敏感，抗干扰能力降低。在电网中，频率往往以±0.25Hz波动，在电网产生不平衡波动的情况下，PR控制器将无法满足控制要求。因此在实际工程中往往采用准比例谐振控制器，其传递函数如式1.14。（1.14）式中，c为截止频率，它的作用是在不改变频率点最大增益的情况下，适当增大高增益处的频带宽度。c越小，控制器选频效果越好。在MATLAB中画出谐振环节取Kr=1，=100π，c=8rad/s时的伯德图，如图1.5。图1.5准谐振环节伯德图PR控制具有良好的动态性能，并且响应速度快，稳态误差小。通过坐标变换，在αβ静止坐标系，电压、电流的正序分量和负序分量分别以+、-为同步角速度旋转，PR控制通过同时对正负序分量进行控制，与电压电流双闭环PI控制相比，在提高控制效果的同时，还减小了控制的复杂度。当电网发生三相不平衡故障时，其对额定电流具有良好的跟踪效果。本研究采用电压外环PI控制，电流内环PR控制的并网逆变器控制策略。外环通过对从MPPT控制输出的电压进行PI控制，得到d轴电流分量，再根据电网电压跌落深度得到q轴电流正序分量，通过对这两个电流分量进行计算可以得到d轴电流正序分量。内环为电流PR控制，令q轴和d轴的负序电流均为零，对双轴的正负序电流分别进行坐标反变换，得到在两相静止坐标系下的电流分量。再分别对这两个电流值及其参考电流值的误差进行准PR控制，得到逆变器输出电压矫正量，再结合电路的拓扑结构，得到电压前馈控制信号，实现逆变器并网控制。具体控制策略框图如图1.4。图1.4光伏并网系统逆变器PR控制策略框图在该控制策略中，最关键也是最难实现的部分为准比例谐振控制器的数字实现。要数字实现准比例谐振控制器需要保证其在离散情况下与连续时具有相同的频率特性。本研究采用本研究采用突斯汀（Tustin）变换法将式（1.13）进行离散化[27]。离散化后得到的准比例谐振控制器的表达式如下：（1.15）式