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太阳能光伏系统的最大功率点跟踪技术

来源:未知 作者:管理员  发布时间:2016-11-25 10:06

典型的太阳能光伏系统由一个太阳能光电板阵列组成。太阳能光电板能够将太阳光转换为直流电能;直流电能的强度与到达太阳能光电板的太阳辐照度成正比。借助光伏逆变器?,可以将直流电能转换为交流电能。可用的太阳能数量与辐照度、温度和光电板的新旧程度有关,因此,如未测量太阳的辐照度和光电板的温度,很难对可用的太阳能数量进行估算。传感元件会增加额外的成本。即便应用了传感元件,估算的值也不精确。阳光经常被遮挡住,这会影响光电板阵列的性能。另外,光电板的新旧程度也会影响它的性能。光伏逆变器需要自动调整功率输出,以便随时捕捉最大的可用功率。这种从太阳能光电板上捕捉最大可用功率的算法,被称为MPPT。太阳能电池板阵列的电压特性和电流特性要求:在任何太阳辐照度和电池板环境下,都必须提供能从阵列中获得最大功率的最佳工作条件。逆变器需要主动搜索最大功率点。当逆变器处于瞬态且未在稳态条件下振荡时,理想的MPPT算法应能迅速将逆变器调整为能够获得最大功率的状态。缓动、振荡MPPT算法都会浪费捕捉可用功率的机会。振荡算法还可能导致阵列电压崩溃。从太阳能光伏系统中获取稳定的最大功率,取决于嵌入式处理器读取、处理并响应逆变器物理变量的精度和速度。

  电网同步

  相位跟踪系统是控制系统的一个重要组成部分。它既影响逆变器输出的功率因数控制,也影响逆变器输出电流的谐波含量。理想情况下,相位跟踪算法应该既能快速响应电网定相的变化,也能屏蔽电网电压中的噪音和高次谐波。目前已提出了很多算法,最早的相位跟踪算法以零交越检波为基础。当电网电压零交越时,逆变器输出电流将与电网同步。该算法可能会受到电网电压中噪音和高次谐波的影响。此外,零交越检波存在速度问题,它在每个电网周期中只能对电网定相做出两次响应。借助开、闭环技术,许多滤波技术已可以实现电网定相估算。

  锁相环(PLL)技术已成为一种用来估算电网相位的行业标准。通过补偿器设计,可以调整收敛速度、稳态噪声和抗干扰性能。PLL在跟踪电网相位方面表现良好,即使电网电压中出现高次谐波时也不例外。但当电网电压不平衡时,PLL的性能可能变差。使用前置滤波器技术或后置滤波技术,可以避免公用电网系统产生失衡。

  时变三相电网电压便于实现控制目的。为操控自然模型,我们通过转换功能把一个参考坐标系的量转换为另一个参考坐标系的量。通过一次转换可将三相耦合电压( ab c坐标系)转换为两相去耦电压( α β坐标系)。第二次转换将一个参考坐标系中的量转换为第二个参考坐标系的量( d q坐标系,与第一个坐标系相差一个相角)。PLL的目的是估算公用电网系统的相角。综合以上两个将三相电网 ab c量转换成 d q量的转换过程,可知:

  

 

  转换完成后,两相去耦电网电压变为:

  v d ( t )= cos( θ − ? )

  v q ( t )= sin( θ − ? )

  当 ? 接近 θ 时, v d ( t )变为0。为达到控制目的,将其线性化为:

  v d ( t )=( θ − ? ) (4)

  借助合理的环路滤波器设计,?(PLL频率值)和 ? (相位值)可分别用于跟踪 ω (电网频率值)和 θ (相角值)。

  在二阶环路中用到的比例积分(PI)型滤波器的计算公式如下:

  

 

  闭环系统的转换功能按二阶系统的通用形式改写为:

  

 

  其中,α=1 − T/τ ,T为采样周期。图1为单项逆变器PLL的功能框图。图2显示三相PLL算法。

  防孤岛效应

  为安全起见,当公用电网由于某种原因中断后,光伏并网逆变器须与公用电网断开。这样,当电网系统不受电力公司直接控制时,就可以防止注入电网系统的电能对供电人员和设备造成伤害。当电网未运转时,如果光伏逆变器将电能注入电网,将会产生孤岛效应。

  所有光伏并网逆变器必须具有过频/欠频(OFP/UFP)和过压/欠压(OVP/UVP)保护方法,以便当电网电压或频率超出可接受的范围时,防止逆变器为电网供电。图3显示了光伏逆变器与公用电网的典型连接。光伏逆变器的输出功率为P + j Q,本地负载为 P l d + jQ l d ,其余功率由电网ΔP + j Δ Q 提供。电网断开后,系统是否运转由ΔP和Δ Q的值决定。如果ΔP≠0,电网电压的振幅将产生变化,且OVP/UVP能够检测到这种变化并防止孤岛效应的产生。如果ΔQ≠0,电网的相位会产生突然转移,OFP/UFP将对频率的变化和孤岛条件进行检测。当逆变器实际功率和无功功率与负载不匹配时,或者当负载网络的谐振频率值与逆变器OVP/UVP的谐振频率值之间存在很大差距时,可利用OFP和UFP来检测孤岛条件。然而,仅通过光伏逆变器来满足负载要求时,检测孤岛条件的难度就大大增加了。光伏逆变器的认证测试要求(例如IEEE1547)旨在考察当ΔP和ΔQ的值都接近于0时,光伏逆变器的响应时间。

  不可检测区(NDZ)的概念用于确定在给定ΔQ、ΔP值的条件下防孤岛算法的有效性。孤岛检测的反应时间取决于NDZ。ΔQ的NDZ值的计算公式如下:

  

 

  其中,

  

 

  有很多种主动和被动的方法可以检测孤岛条件。被动方法要么难以实现,要么有较大

  的不可检测区。而主动方法则需要向电网加入干扰信号。为避免电网在正常工作状态下变得不稳定,必须对干扰信号的加入进行合理控制或使其与其它光伏逆变器协调。

  如能同时实现桑迪亚频率移动算法和桑迪亚电压移动算法,将能够非常有效地检测孤岛效应。桑迪亚频率移动算法基本是在频移算法的基础上进行了改动,见下列公式:

  c f = c f 0 + K ( f a − f line )

  其中,K是一个加速器,当电网断开后,它可以使逆变器输出频率变得不稳定。

  桑迪亚电压移动算法与频移算法相似。光伏逆变器输出电流根据电网电压的变化增加一个额外的项,见下列公式:

  i out = i re f + K Δ V 。

  这两种方法均导致光伏逆变器输出波形的电能质量变差。波形的质量与预期的检测时间可通过K值进行权衡取舍。桑迪亚算法通过逆变器向电压和频率调节加入少量正反馈,因此逆变器会不断尝试让电网变得不稳定。当电网稳定性强时,这个算法可以产生非常好的效果;但试想一下,如果可再生资源进一步加大渗透力度,会发生怎样的情形呢?

  电流调节

  电流调节算法用来控制需要传输到电网中的输出电能量。要想对最大电能进行有效处理,电流调节算法的精度非常关键。为符合适用标准对总谐波失真的限制,电流调整算法的质量也十分重要。业界提出了许多控制算法来控制光伏逆变器并网运行时的输出电流。带有各种闭环补偿器的迟滞型控制器是在可变或恒定的开关频率下运行的。此处介绍一个易于实现的有效电流调节算法,该算法可与各种电网同步方法配合使用,也适用于多级光伏逆变器。

  为控制正弦逆变器输出电流,可将动态坐标系转换成参考坐标系,在该坐标系中,预期的波形是一个直流量,而不是特定频率的正弦曲线。也就是说,这是一个 d q参考坐标系。这样,可以利用积分控制操作消除稳态误差。完成 d q坐标系转换后,逆变器的电气动态特性如下:

  

 

  一个坐标轴上的动态值取决于另一个坐标轴上的电流状态(这就像电机里的交叉耦合,直轴磁通生成正交轴反电动势,或者相反)。这里介绍了一种由两种状态(电流和频率)的乘积决定的耦合多输入多输出(MIMO)系统。通过测量电流和补偿电流可以估算出耦合项。电网电压可表示为对系统的干扰;系统也可以根据电压测量结果,对电网电压进行补偿。前馈补偿和去耦完成后,需要进行控制的一阶发电厂的线性模型如下:

  

 

  所选的控制器结构是一个带有转换功能的PI控制器。

  

 

  补偿器零点的频率为KI/KP,假设它低于电厂R/L极点的频率。因此,波特图的渐近线如图所示。

  图为电流调节算法的框图。当动态坐标系转换为旋转参考坐标系时,三相和单相系统都可以使用该算法。PI控制器的数字实现方式如下:

  

 作者:深圳古瑞瓦特新能源股份有限公司

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