光伏发电系统并网运行的控制策略范文

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近年来，全球经济高速发展，电力需求越来越大。电力生产所需煤炭燃料逐渐衰竭，全球变暖、废气排放等环境恶化关注度日益增加，电力供需矛盾日益加大。于是，人们逐渐开始尝试利用以风能、太阳能等能源为主的分布式发电技术进行发电，将多个可再生发电单元并网实现“微网”结构。光伏是分布式能源中的一种重要能源形式，以光伏发电并网技术为核心的光伏发电技术在未来具有较大的潜力。目前，我国光伏发电并网技术与欧美和日本等国家差距较大。随着技术研究的不断深入，光伏发电并网在系统建模仿真，控制策略分析等领域取得了一定成果。该文给出了光伏发电并网系统的结构和光伏电池的数学模型，采用电压、电流双环结构控制逆变器，通过直接扰动占空比跟踪光伏电池的最大功率点。通过MATLAB软件进行仿真验证了控制策略的可行性。

1光伏发电并网系统的结构

该文主要研究三相光伏发电并网系统，采用两级控制，其结构如图1所示。并网系统前级采用DC/DC升压，考虑到光伏电池发电功率的不稳定性，因此一般采用直接扰动法进行最大功率跟踪(MPPT);后级采用DC/AC逆变，利用设定好的功率平衡维持直流侧电压。逆变后的交流电压进行光电隔离、滤波后，经隔离变压器并入电网。

2光伏电池的数学模型

光伏电池原理是利用半导体光伏效应将太阳能转换为电能。根据文献中关于光伏电池的等效模型的介绍，进行简化、处理。假设光照1000W/m2、温度为25℃时，根据式(1)～式(4)进行MATLAB仿真，其电流电压波形以及功率电压波形如图2所示。假如光伏电池在1000W/m2和25℃的条件下，外部直接所带负载为纯阻性，当负载从小到大(0~40Ω)改变时光伏输出功率阻抗特性如图3所示。从图3可知，只有当外部负载为8Ω时，光伏电池才能达到最大功率。由图2可观察最大功率点处的电压与电流之比与8十分接近。这正好与最大功率输出匹配原则相符合，也就是负载阻抗与电源输出阻抗相等时，电源的输出功率最大。

3并网变换器的控制策略

3．1MPPT控制策略目前，最大功率跟踪控制(MPPT)方法有扰动观察法、恒压法、电导增量法、模糊逻辑控制等，该文采用扰动观察法。采用BUCK－BOOST电路为光伏电池最大功率跟踪电路，其电路结构和算法如图4所示。当改变变换器占空比时，光伏系统的功率变化曲线和改变光伏系统工作电压时的曲线的趋势类似，借着这个特性，可以通过直接扰动占空比的方法完成最大功率跟踪。利用定步长扰动占空比的方法和降压升压装置在MATLAB中进行建模仿真，仿真模型如图5所示。仿真条件:温度为－10℃，在0～0．25s时光照为800W/m2，0．25～0．5s时光照为500W/m2。降压升压装置工作在电感电流连续的模式。光伏电池侧电容为0．8×10－3mF，电感为10mH，负载侧电容为0．5×10－3mF，最大功率跟踪模块的三角波频率为5kHz。从图6中可以看出，采用降压升压装置和扰动占空比算法的光伏系统能够很好地完成最大功率跟踪。

3．2逆变器的控制策略三相电压型PWM逆变器采用全控型开关器件IGBT，IGBT既可以从电网上吸收功率使系统在整流状态工作也可以向电网输出功率使系统工作在有源逆变状态［7］。当电网电压三相平衡时，为了便于分析和功率解耦，对其进行PRAK变换，则三相电压型光伏逆变器的数学表达式为。三相并网光伏逆变器控制策略采用电压、电流双环的结构，如图7所示。电压外环为逆变器直流侧电压与设定值比较得到偏差，然后利用PI调节器运算得到并网电流参考值。电流内环为并网电流参考值与实际值比较得出偏差进行PI运算，其结果作为逆变器调制波的信号［4］。其中eabc为大电网电压，iabc为逆变器输出电流。

4并网运行仿真

图8为三相光伏并网运行的仿真模型，仿真参数为:交流侧线电压380V;直流侧电压600V;光伏最大功率4kW;光伏电池温度25℃;0．5s之前光照强度为1000W/m2;0．5s后变为500W/m2;滤波电感6mL;逆变器直流侧电容2mF;直流升压电路中电感1．5mL;最大功率跟踪载波频率4kHz;逆变器三角波载波频率10kHz;电压环比例和积分控制系数为15和200，电流环比例和积分控制系数为15和10。MATLAB仿真结果如图9～图11所示。图9表明前级最大功率跟踪良好，从图10可以看出三相光伏并网系统在稳定时逆变器直流电压能够保持600V，当系统开始仿真时，由于功率不平衡，出现了一定的超调。当光照强度降低时，逆变器直流电压由于按照上一时刻的电流参考值输出导致电压下降，但是随着并网电流参考值下降后，逆变器直流电压又开始回升至设定值。图11表明在系统启动阶段，并网电流与电网电压反相并且数值较大，这是由于逆变器直流电压没有达到设定值，需要充电电流，在逆变器直流电压超出设定值后，逆变器输出电流又大于设定值，逆变器充电电流减少，且在0．3s输出电流稳定，并且并网电流与电网电流同频同相。

5结论

该文建立了一个由三相两极光伏发电系统并网运行的微网模型，采用降压升压装置和扰动占空比算法跟踪分布式电源的最大功率，在并网运行时，对逆变器采用电流电压双环结构控制，并搭建了并网运行的系统仿真模型。实验结果表明:该控制方法能使直流母线电压稳定，并网逆变器输出电流相位和大电网电压频率保持一致，动态响应快，从而验证了控制策略的正确性。

作者：吴硕 赵继忠 单位：辽宁装备制造职业技术学院