光伏并网发电与无功补偿的一体化控制

光伏并网发电与无功补偿的一体化控制
蔡纪鹤;孙玉坤;黄永红
【摘要】为改善光伏并网发电系统的供电质量、提高系统利用率、降低系统损耗、减小设备投资,提出了一种将光伏并网发电与无功补偿相结合的一体化控制策略.通过对并网逆变器的控制,系统既可以向电网输送有功功率,又能对电网中的无功功率进行补偿.分析了两级式光伏并网发电与无功补偿一体化系统的拓扑结构,研究了一体化控制原理、基于扰动观测法的最大功率点跟踪控制、基于瞬时无功功率理论的并网有功电流、无功电流的检测方法及并网电流的合成等问题,最后采用Simulink 对整个系统进行了仿真研究.仿真结果验证了该系统结构及控制策略的可行性,实现了光伏并网逆变器功能的复用,扩大了其应用范围.
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(035)003
【总页数】5页(P324-328)
【关键词】光伏并网发电;最大功率点跟踪;无功补偿;瞬时无功功率理论;仿真
【作者】蔡纪鹤;孙玉坤;黄永红
【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;常州工学院电子信息
与电气工程学院,江苏常州213002;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;南京工程学院,江苏南京211167;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文
【中图分类】TM615
随着世界经济持续、高速的发展，世界各国对化石能源的需求量越来越大，使得化石能源急剧地消耗;此外，化石能源的大规模开发和利用，影响着全球气候，并引发酸雨、温室效应、臭氧层破坏等一系列环境问题.研究和实践表明，太阳能取之不尽，用之不竭［1］，而且清洁无害，是解决世界能源危机和环境污染最可靠和行之有效的绿色能源［2］.根据IEA，JRC和EPIA的预测［3］，作为太阳能资源利用最主要途径的光伏发电技术在未来几十年内迅速发展，到本世纪末光伏发电总量将占全球电力供应的60%以上.其中，光伏并网发电系统的安装量占到全部光伏系统安装量的90%以上，毫无争议地成为光伏发电领域的发展趋势.由于光伏并网发电系统的逆变主电路通常采用电压型半桥结构，该结构与静止无功补偿器的电路结构基本相同［4-5］，因此，可以通过对并网逆变器的控制，实现光伏并网发电和无功补偿的一体化控制.这样，光伏并网发电系统既可以向电网输送有功功率，又能对电网中的无功功率进行补偿，从而改善了光伏发电的电能质量，提高了系统的利用率.
文中拟分析光伏并网发电系统的结构，提出具有无功补偿功能的光伏并网发电系统的具体结构，对其控制原理、最大功率点跟踪、并网电流的合成问题进行研究，最后通过仿真验证系统结构和控制策略的可行性.
1 系统的拓扑结构
光伏并网发电系统根据逆变器拓扑结构的不同分为单级式结构、两级式结构和多级式结构.其中多级式结构的光伏并网发电系统功率变换环节较多，成本较高;单级式结构的光伏并网发电系统虽然成本低，但控制算法复杂度高，系统设计灵活性较低;两级式结构的光伏并网发电系统具有前后级耦合小、控制精度高、效率较高、综合性价比高，且有利于模块化设计与集成的优点，得到了广泛的应用［6］.因此，文中采用该主电路结构，如图1所示.
图1 两级式光伏并网发电系统主电路
系统主电路由光伏阵列，BOOST电路，并网逆变器等部分构成.其中，光伏阵列将太阳辐射的光能转换为直流电能经过防反二极管连接到前级BOOST电路，BOOST电路实现最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制及直流电能的升压，再将升压后的直流电能经过后级并网逆变器变为符合电网要求交流电能并入电网，并网逆变器在进行并网逆变的同时还实现了对电网无功功率的补偿.
2 系统的控制原理
文中采用基于SPWM控制的dq坐标系下的电压外环、电流内环控制结构.电压外环稳定经BOOST电路实现最大功率点跟踪的光伏阵列直流输出电压，内部电流环控制并网电流与输入电压同相，同时抵消系统中的无功电流，达到无功补偿的目的.系统控制原理如图2所示.
图2 系统控制原理图
具体工作原理如下:输出电压Udc和给定参考电压Udc*比较后送入电压调节器，电压调节器的输出信号作为网侧电流有功分量的给定值，负载的无功电流分量作为内环的给定值iq*，稳态时 d，q轴的电流给定信号都为直流量，两个给定值与网侧经过变换后的反馈值id，iq相比较后，送入电流PI调节器，在非线性解耦和坐标变换后得到三相网侧电压在abc坐标系上的控制信号，经过SPWM调制后，输出SPWM控制信号，从而实现对三相光伏并网功率调节器的控制.
3 最大功率点跟踪控制
光伏阵列的输出功率是太阳光辐射度、光伏阵列工作温度的非线性函数，能否最大限度地释放光伏阵列的输出功率，提高光伏阵列的光电转换效率是整个光伏并网发电系统的关键技术之一，又称为MPPT 技术［7］.
MPPT有很多控制方法，其中应用最多的是扰动观察法.其原理［8-9］是在每个采
样周期对光伏阵列的输出电压增加一个电压扰动，并观察输出功率的变化方向，从而来决定下一步施加扰动电压的方向，如此循环，直至输出功率稳定在设定的范围内.其仿真结果如图3所示.
图3 光伏阵列的电压、功率曲线
从图3可见，采用扰动观测法MPPT控制时，系统经过很小一段时间的调整后，可以输出稳定的电压和功率，动态响应快、稳态误差小.
4 并网电流的跟踪控制
4.1 无功电流的检测
对无功电流检测的方法有多种，其中以dq坐标变换法和基于瞬时无功功率理论［10］的检测方法速度最快.文中采用dq坐标变换法分别负载无功电流和并网电流进行检测，如图4所示.
图4 无功电流检测框图
则负载电流il在dq坐标的模型为
式中:ild，ilq为负载电流 il的 d，q分量，令 ild=0，ilq=iq*;而
同理可得，并网电流ic在dq坐标的模型为
式中:icd，icq为并网电流 ic的 d，q 分量，令 icd=id，icq=iq.
4.2 电流内环的解耦控制
系统在两相同步旋转坐标系(d，q)中的模型可描述为
式中:ed，eq为电网电动势矢量 e的d，q分量;urd，urq为系统交流侧电压矢量uc的d，q分量;p为微分算子.
设dq坐标系中d轴与电网电动势矢量e重合，则电网电动势矢量q轴分量eq. 从式(3)可见，d轴和q轴变量是相互耦合的，因而无法对两通道电压进行单独控制，给控制系统的设计造成很大困难.对于一个耦合系统进行控制，工程上希望实现某一个输出量仅受某一个输入量的控制，这种控制方式称为解耦控制.线性定常系统的解耦通常可采用串联补偿器或前馈补偿器来实现，这里采用前馈解耦控制［11］.为此可引入 id，iq的前馈解耦控制，对ed，eq进行前馈补偿，且采用PI 调节器作为电流环控制器，则得
式中:KiP，KiI分别为电流内环比例调节增益和积分调节增益.
将式(5)-(6)代入式(3)，可得
从式(7)可见，系统的电流内环(id，iq)已实现了解耦控制，其控制结构如图5所示. 图5 解耦控制结构
4.3 电网电流的组成
电网电流的计算公式如下:
根据文中采用的控制算法，将并网电流ic从abc坐标系转换到dq坐标系后，其d轴分量将跟踪电压调节器的输出信号id*;q轴分量将跟踪负载电流负载il的无功电流分量iq*，由于电网电流为il和ic之差，并网电流ic刚好将负载电流il中的无功电流分量抵消掉了，实现了对无功功率的补偿.
5 仿真研究
在Matlab仿真平台下，建立仿真模型，其参数如下:光伏组件的功率为185 W，共54块，9块串联6块并联，组成10 kW的光伏阵列;电网电压的有效值为100 V，频率为50 Hz;阻性负载为6 kW，感性负载为3 kVar.当设定iq*=0时，并网
电流ic没有对负载电流il中的无功电流进行抵消，电网a相电压和电流波形如图
6所示.
图6 =0时，电网电压与电流波形
从图6可见，电网a相电压超前电流波形，两者之间有一定的相位差，系统中的
无功功率没有得到补偿，系统处于并网发电状态.
当设定iq*=ilq时，并网电流ic对负载电流il中的无功电流进行抵消，iq*波形如
图7所示，电网a相电压和电流波形如图8所示.
图7 iq*=ilq时，iq*波形
图8 iq*=ilq时，电网电压与电流波形
从图8可见，经过很短时间的调整，电网a相电压和电流同相，此时，并网电流
中的无功电流分量iq*与负载电流中的无功电流分量ilq大小相等，并且方向相反，因此系统中的无功功率得到补偿，系统处于并网发电状态和无功补偿状态.
6 结论
1)通过仿真研究发现，该系统能够有效地补偿系统的无功功率，实现了并网发电与无功补偿的一体化控制，从而验证了文中设计的系统结构和控制策略是可行的，为该技术的实际应用奠定了基础.
2)该系统与光伏并网发电系统的逆变主电路相同.只要对光伏并网发电系统的控制
系统进行适当的改造，即可实现向电网输送有功功率的同时，又能对电网中的无功功率进行补偿，从而改善了光伏发电的电能质量，提高了系统的利用率.
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