光伏发电的微电网控制策略范文

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太阳能因其在自然界的广泛存在及取之不尽、用之不竭的特点成为最理想的新能源之一。同时，研究表明，汽车一天中有96%的时间处于停止状态，电动汽车的保有量也在不断增加。因此分布式光伏发电和电动汽车入网将成为未来智能微电网发展的趋势。微电网包含的微源种类繁多，数量也越来越大［2］。但光伏发电受环境影响大，不同的温度和光照辐射的变化都会使其输出特性发生变化。电动汽车既可作为微源(V2G)也可作为负荷(充电)，因此，研究光伏发电和电动汽车的并联控制，显得尤为重要。

1含电动汽车及光伏发电的多逆变器并联系统

图1为含电动汽车及光伏发电的多逆变器并联系统结构图。电动汽车动力电池的控制系统主要包括电池侧变换器、电网侧变换器、LCL滤波器和充放电控制器等。光伏发电系统主要包括光伏阵列、Boost升压变换器、DC/AC变换器、LCL滤波器和MPPT控制器。图1中，光伏电池及电动汽车等微源构成相对稳定的直流侧电压Udc;PLL(锁相环)电路保证逆变器接入公共点时与微电网电压初始相位保持同步。

2光伏发电逆变器控制系统

2．1光伏电池数学模型以硅光伏电池为例，它属于半导体光电器件，以光生伏特效应为基础，直接将光能转化为电能。光伏电池的等效电路如图2所示。

2．2最大功率点跟踪MPPT算法由图1可知，前级的Boost升压斩波用MPPT控制。因光伏电池在并网的过程中，输出特性受光照强度和电池温度影响。为提高光伏发电的效率，需控制光伏电池在不同条件下输出可以达到的最大功率，即最大功率点跟踪MPPT(MaximumPowerPointTracking)控制。图3为经PSCAD建模仿真得到的不同温度和不同光照强度下的U－I和U－P曲线。由图3中U－I曲线可知，当光伏电池电压较小时，光伏电池近似为一恒流源;当电池电压处于短路电压附近时，其可近似为一恒压源。由U－P曲线可知，输出功率存在一极大值，可通过改变Boost变换器的占空比来改变输出功率。工程中实现MPPT常用的方法有扰动观测法和电导增量法［6］。这里采用电导增量法。

2．3光伏电池DC/AC变换器控制光伏电池DC/AC变换器控制框图如图4所示。图4中，RMS为电网电压uo2有效值测量模块;Pout为光伏电池输出功率。将直流电压给定Uref2与前级反馈电压Udc2比较后送入PI控制器，加入功率前馈环节部分，其输出为一直流电流指令信号。乘以由锁相环得到网侧电压的相位和频率信号，便可得一交流指令电流。功率前馈部分使得电流环的直流给定含有光伏电池输出功率信息，可提高系统对功率变化的响应速度，提高系统的动态性能。采用准PR控制器，因其比PI控制器消除零稳态误差效果更好，增强了指令信号跟踪能力，并可提高电网电压抗干扰的能力。

3电动汽车逆变器控制系统

3．1鲁棒下垂控制含电动汽车和光伏发电等微电源构成的微电网实质上是多逆变电源的并联系统，可以通过模拟传统电力系统中同步发电机的下垂特性，实现逆变电源并联系统的无互联线并联控制，即下垂控制。下垂控制主要包括输出滤波器、功率控制器和电压电流双环控制器3部分。功率控制器用于实现有功/频率(电压)以及无功/电压(频率)的对应控制。电动汽车的逆变器控制系统采用图5所示的鲁棒下垂控制。图5中，uo1为逆变器输出电压(V);io1为逆变器输出电流(A);ω*为空载角频率参考值(rad/s);E*为空载输出电压幅值参考值(V)。根据输出阻抗类型的不同下垂控制策略具有不同的形式。在此，采用Q－ω和P－E下垂控制，也就是逆变器输出阻抗呈阻性的情况。因在低压微网中，线路阻抗主要呈阻性，因此很容易地扩展到Q－E和P－ω下垂控制。

3．2电压电流双闭环控制为改善电压输出波形质量和增强系统动态性能，还需设计电压电流控制环。电压外环采用PI控制器，电流内环采用预测电流无差拍控制。电压电流双环控制结构如图6所示。

3．3电动汽车充电状态控制前面讨论了电动汽车处于并网状态的控制，电动汽车因其特殊性，不仅要作为微源参与调度，还要作为负荷进行充电。电动汽车在充电初期，充电电路以恒定的电流对锂离子电池充电，一般锂电池大多选用标准充电速率。恒流充电时，电池电压将缓慢上升，一旦电池电压达到所设定的终止电压，恒流充电终止，进入恒压充电过程。为了实现恒流和恒压两种充电模式，只需将所要实现恒定输出的量采样后与给定值比较，得到的差值再与三角波比较产生所需的占空比来控制开关通断。为了实现对逆变器整流后的电压进行Buck降压斩波，需将电池侧变换器的上桥臂作为主开关管。电网侧变换器的控制原理如图7所示［11］，其分析方法与光伏电池DC/AC变换器控制类似。

4实验仿真研究

利用PSCAD软件搭建了一台光伏电池逆变器和一台电动汽车逆变器的并联控制模型，验证所研究控制策略的有效性。两逆变器滤波器参数一致。光伏电池和电动汽车并网仿真参数如表1、表2所示。当电动汽车并网和光伏电池并网时，并联逆变器仿真波形如图8所示。当电动汽车处于充电状态时，光伏电池参数不变。电动汽车仿真参数如表3所示，仿真波形如图9所示。光伏电池模型在不同光照强度和温度下的仿真波形图3中已给出。由图8a可看出，MPPT控制实现了对最大功率点的跟踪，最大功率近似在2kW左右。而由图8b、8c可知控制策略有效地实现了光伏电池和电动汽车动力电池并联系统的控制，输出电压和电流波形比较好。从图9可知，当电动汽车处于充电状态下时，送往电池的电压电流基本能保持恒定。

5结语

在微电网中，包含电动汽车、储能、风力、光伏等多种微源，而且数量越来越多。该文对光伏电池和电动汽车动力电池入网的多逆变器并联系统进行了仿真研究。通过PSCAD仿真软件自定义元件及FORTRAN语言编程建立了光伏电池的模型、MPPT算法模块。同时对DC/DC、DC/AC变换器、LCL滤波器及各控制模块进行建模;由于电动汽车既可作为微源又可作为负荷，因此对电动汽车充电状态下的逆变器控制也进行研究。通过仿真验证了光伏电池及电动汽车并联系统控制方法的可行性。

作者：张明光 周君 单位：兰州理工大学 电气工程与信息工程学院