太阳能系统

太阳能光伏发电并网控制

时间:2018/8/28 9:11:56 浏览:
目前全球各国都在积极发展各种可再生能源,以减少对煤炭、石油等传统能源的依赖。太阳能是当前世界上最有前景、最清洁、最现实、大规模开发利用的可再生能源之一。太阳能光伏利用受到世界各国的普遍关注,而太阳能光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势,必将得到快速的发展。此外,高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现,使得一些先进的控制策略应用于光伏并网逆变器成为可能。本文在此背景下,对太阳能并网发电系统中的最大功率控制及其核心器件并网逆变器进行了较为深入的研究,具有重要的现实意义。

  1 太阳能电池的工作原理及基本特性

  太阳能电池工作原理的基础是半导体P-N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应,就是当物体受到光照时,物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其它光照射半导体P-N结时,就会在P-N结的两边出现电压,一般称之为光生电压,使P-N结短路时就会产生电流,这种现象就是着名的光生伏打效应。

  1.1 太阳能电池的等效电路及数学模型

  为了描述电池的工作状态,往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟。图1为太阳能电池的等效电路。图中,Iph表示光生电流;Id表示通过二极管的电流;Rsh表示并联电阻;Rs表示串联电阻;R表示负荷电阻;I表示负荷电流;V表示负荷电压。

  由太阳能光伏电池等效电路得出太阳电池的伏安(I-V)方程为:

  式中,Iph是光生电流;I0是二极管反向饱和电流(一般对于光伏单元而言,其数量级为10-4A);q是电子电荷,为1.6×10-19;V是输出电压;α是P-N结的理想因子,当温度T=300K时,取值2.8;K是波耳兹曼常数,为1.38×10-23J/K; T是绝对温度;Rs是串联电阻(为低阻值,小于1Ω);Rsh是并联电阻(为高阻值,数量级为KΩ)。

  1.2 太阳能电池的I-V输出特性

  太阳电池阵列的I-V特性是系统分析最重要的技术数据之一,图2表明它具有强烈的非线性性质,由图可看出最大功率Pm与电压、电流的关系。

  图中参数如下:短路电流Isc表示在给定日照和温度下的最大输出电流;开路电压Ovc表示在给定日照和温度下的最大输出电压;最大功率点电流Im表示在给定日照和温度下相应于最大功率点的电流;最大功率点电压Vm表示在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压;最大功率点功率Pm表示在给定日照和温度下阵列可能输出的最大功率。最大功率点功率Pm为:

  ■ (2)

  2 最大功率点跟踪的原理

  在太阳能光伏发电系统中,太阳能电池是最基本的环节,若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能电池的转换效率,使其输出功率为最大值。然而,太阳能光伏电池的I-V特性具有非线性,并且它随着外界环境(温度、日照强度)的变化而变化,所以不好控制。但是,在某一特定的温度或日照强度总存在着一个最大功率点,如图2太阳电池阵列的I-V特性图所示,因此,对于最大功率点跟踪的研究是至关重要的。最大功率点跟踪的过程实质上是一个自寻优过程,即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。图3为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线,由图可知,当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm左侧时,其输出功率随电池端电压的上升而增加;当太阳能电池工作于最大功率点电压Vm右侧时,其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外,最大功率点跟踪(MPPT)控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值及功率值来判断其运行在哪个工作区,然后根据不同的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。但要注意日照强度和环境对太阳电池阵列的开路电压和短路电流的影响。

  2.1 定电压跟踪法

  通过分析不同日照强度下太阳能光伏电池输出功率曲线可知,当日照强度较高时,最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧。因此,可以将光伏电池的最大功率输出点看作是针对某一恒定电压输出的,这就大大简化了系统MPPT的控制设计,从而构成了定电压跟踪法(CVT)式的MPPT控制。使用这种方法,人们只需从生产厂商获得最大输出电压值,并将输出电压钳位于最大输出电压值即可。此方法控制简单,容易实现,可靠性也比较高,但是控制精度较差(尤其是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区)。此外,这种方法忽略了温度对光伏电池开路电压的影响,缺乏准确性。

  2.2 电导增量法

  电导增量法也是MPPT控制常用的算法之一。通过太阳电池阵列输出功率特性曲线可知最大值点Pm处的斜率为零,所以有:

  式(5)即为要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,阵列工作于最大功率点。若不相等,则要判断dP/dV是大于零还是小于零。

  这一跟踪法的最大优点是当太阳电池上的日照强度产生变化时,其输出端电压能以平稳的方式追随其变化,其电压波动较扰动观察法小,不过其算法较为复杂,且在跟踪过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换,这对微处理器在控制上会造成相当大的困难。

  2.3 间歇性扫描法

  这种方法是在定电压跟踪法的基础上得来的,只是用定时的扫描代替了从厂商处得来Vm值。这种方法的思想是定时扫描一段阵列电压,同时记录下不同电压下对应的电流值,经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以方便地得出最大功率点,而不需要一直处于搜寻状态。

  这种间歇扫描方法测定所需要的时间只是毫秒级(5-10ms),而定时扫描的时间间隔可以放宽至秒级。通过扫描计算出在该日照及温度条件下的最大功率及其相应的电压Vm并实时控制PWM的输出以使系统工作在与该Vm相应的工作点上。这种方法一般不会产生振荡。

  3 光伏并网逆变器的最大功率控制方法

  采用最佳的MPPT控制方法,不仅要通过比较得到各种方法的优劣,还需要根据实际应用场合选取适合光伏系统拓扑以及负载特性的最优算法。假设系统采用两级并网逆变器,MPPT在前级变换中实现,并网控制等其他控制要求在后面的变换中实现,从而降低了控制的复杂程度,也增加了各级控制的精度。

  前级电路除了起升压作用,将光伏电池输出电压升高到400V左右外,还可对最大功率点进行跟踪,即:直接调节DC-DC部分的占空比来调节太阳电池的工作电压,根据太阳电池的伏安特性,改变太阳电池的工作电压就能决定其最大工作点的位置。

  DC-DC控制部分主要完成最大功率点跟踪,经过MPPT控制得到参考电压与太阳能电池输出的实际电压相比较,其误差经过PI调节后用于产生PWM驱动波形,从而驱动电路中开关器件的导通、关断。DC-AC控制部分主要完成稳定Dclink母线电压和控制输出与电网电压同频同相的正弦电流两部分。Dclink检测电压闭环回路只有在Dclink的电压超过其上限电压设定值时才起作用,其目的是防止Dclink的电压过高而损坏主电路的器件。



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