CN113224794A - 一种用户侧光伏发电*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用户侧光伏发电***，对并网逆变器控制进行优化，优化后的并网逆变器控制为：光伏阵列吸收太阳光将光能转换为电能，电能传递至并网逆变器，分别同时检测并网逆变器输出的三相电流与电网三相电压，通过锁相技术获取电网电压的频率与相位；将MPPT控制器的输出信号作为d轴的参考电流Idref，设置q轴的参考电流Iqref为零，逆变器三相电流通过Park变换得到dq轴id、iq，分别将二者与Idref、Iqref进行做差比较并通过PI控制实现无静差调节，经PI控制调节后，输出信号经反Park变换得到调制信号，将调制信号输入SPWM产生触发脉冲驱动逆变器的开关。本发明具有简化***的复杂度、对电网起到削峰填谷、平抑负荷的作用等优点。

Description

一种用户侧光伏发电***
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，尤其是涉及一种用户侧光伏发电***。
背景技术
在当今能源匮乏和环境污染严重双重压力的情况下，对于可再生、无污染的新能源需求迫在眉睫。在用户侧配电电压等级上将非常规可再生能源发电接入配电网络。例如天然气、沼气、风力发电、光伏发电、燃料电池、微燃机等称为非常规或可再生能源。这类发电技术称为分布式发电(Distributed Generation，DG)，相应的能源称之为分布式能源(Distributed Energy Resources，DER)。光伏发电***，主要由光伏阵列、逆变器、LCL滤波电路、SPWM正弦脉宽调制和MPPT控制***组成。由于绝大多数家用电具都采用的是交流电，因此逆变器控制在光伏发电***中显得尤为重要。它不仅决定着光伏发电***的输出功率，还对***并网起着至关重要的作用。然而传统光伏发电并网逆变器的控制比较复杂。如图1、2所示。根据图1可知逆变输出的电压方程为：
Figure BDA0003076080070000011
经Park变换的dq轴逆变器输出电压为：
Figure BDA0003076080070000012
从上式可以看出，经Park变换后方程中出现了电流交叉耦合项。为了实现电流的解耦控制，就需要在后续的控制中利用前馈补偿的方法才能将其消除。***的复杂程度不仅大大提升，而且在电压电流闭环控制***中增加一个前馈补偿信号，其存在会影响谐波畸变率和动态补偿精度。另外，传统家用的光伏发电***并没有最大化的利用光能，导致电能的转化效率较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用户侧光伏发电***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用户侧光伏发电***，该***对并网逆变器控制进行优化，优化后的并网逆变器控制框架为：光伏阵列吸收太阳光将光能转换为电能，电能传递至并网逆变器，分别同时检测并网逆变器输出的三相电流与电网三相电压，通过锁相技术获取电网电压的频率与相位；将MPPT控制器的输出信号作为d轴的参考电流Idref，设置q轴的参考电流Iqref为零，并网逆变器三相电流通过Park变换得到dq轴id、iq，分别将id、iq与参考电流Idref、Iqref进行做差比较并通过PI控制调节实现无静差调节，经PI控制调节后，输出信号经反Park变换得到调制信号Uref，最后将调制信号输入SPWM产生触发脉冲驱动逆变器的开关。
所述锁相器通过跟踪电网侧电压、频率同时为dq变换提供角频率ω，进而实现电网与光伏发电***同频同相。
进一步地，所述锁相器采用PLL锁相器。
进一步地，利用三相电流电压检测器分别采集并网逆变器输出的三相电流与三相电压，通过单片机算法编程经Park变换将采集到的三相电流转换为d、q轴电流id、iq。
进一步地，所述PI控制调节采用PID控制器实现。
进一步地，所述MPPT控制器采用基于扰动观察法的MPPT控制算法进行输出信号控制。
与现有技术相比，本发明将MPPT控制器的输出信号作为参考电流，极大地简化和***的复杂度，且光伏阵列的输出功率可根据实际需求自行调节，既可以安装在用户侧，供用户日常使用，还可以提高输出功率供企业、小学、校区等地区供电，在电量富余时还可以将电能售出；经仿真验证本专利输出电能质量良好，输出电流谐波畸变率小于5％，满足分布式发电并网要求，对电网起到了削峰填谷、平抑负荷的作用。
附图说明
图1为并网逆变器的结构示意图；
图2为传统并网逆变器控制原理图；
图3为实施例中用户侧光伏发电***的优化的控制原理图；
图4为实施例中用户侧光伏发电***的结构示意图；
图5为实施例中MPPT算法流程图；
图6为实施例中的光照强度模型；
图7为实施例中本发明用户侧光伏发电***的输出电流图；
图8为实施例中本发明用户侧光伏发电***的输出电压图；
图9为实施例中本发明用户侧光伏发电***输出功率及MPPT；
图10为实施例中总电流波形畸变率示意图；
图11为实施例中三相电流参考值；
图12为实施例中并网逆变器向电网输送有功、无功功率的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图3、4所示，本发明涉及一种用户侧光伏发电***，该***对现有逆变器控制进行了优化，优化后的逆变器控制分别同时检测其输出的三相电压与三相电流。检测得到的三相电压通过锁相技术(PLL)获取电网电压的频率与相位，为逆变器的输出提供频率支撑。检测得到的三相电流通过Park变换得到dq轴id、iq，分别将其与参考电流Idref、Iqref相比较，经PI控制器调节后，输出信号经反Park变换得到调制信号Uref，最后将调制信号输入SPWM产生触发脉冲驱动逆变器的开关。本发明将MPPT输出的电流Idref作为参考信号的好处是不仅解决了传统逆变器控制电流存在耦合的问题，还可以使逆变器的输出功率最大化。同时将参考电流Iqref设置为零，实现了单功率因数控制。最终实现了逆变器的输出电流与电网压同频同相。
具体操作：本发明***的主要所需的部件有光伏阵列，并网逆变器(电压源型)、电感、电阻、单片机、温度传感器、MPPT控制器、LCL滤波器、PID控制器和PLL锁相器，光伏阵列的输出端与并网逆变器连接，并网逆变器通过LCL滤波器接入电网。如图4所示，光伏阵列吸收太阳光将光能转换为电能(直流电)，MPPT控制器可由单片机实现将光伏阵列输出的电流、电压作为输入信号，通过MPPT控制算法即可获得光伏阵列输出的最大功率。光伏阵列输出的直流电压通过经滤波后将电压输送到逆变器。
为了使逆变器的输出电流与电网电压同频同相，就需要通过SPWM产生触发脉冲来驱动逆变器开关的开断。具体触发脉冲如何产生如图3所示，利用三相电流电压检测器分别采集逆变器输出的三相电流与三相电压。通过单片机算法编程经Park变换将三相电流转换为d、q轴电流id、iq。MPPT算法由单片机通过编程实现并将单片机输出信号id、iq与参考电流Idref、Iqref进行做差比较并通过PI控制调节实现无静差调节，最后通过单片机编程，由于本发明将MPPT输出量设为d轴参考电流Idref，并将q轴参考电流Iqref设置为零，在并网逆变器电流控制中，实现了无功、有功功率的控制，使光伏发电***的输出功率最大化。同时为了使光伏发电能够并网需要获取电网侧电压的相位以及频率，运用锁相器(PLL)通过跟踪电网侧电压的相位、频率同时为并网逆变器输出电流提供频率以及相位，实现电网电压与逆变器输出电流两者的同频同相，以此实现并网。
本发明采用单功率因数并网。通过经PI调解得到的d轴、q轴的参考电流idref、iqref与通过锁相技术所提供的角频率ω，通过反Park变换得到调制信号Uref，进而驱动SPWM模块。而调制信号的角频率是由电网三相电压经锁相器(PLL)锁相而得到。最终调制信号Uref驱动SPWM产生触发脉冲进而控制逆变器开关的闭合。LCL滤波器用来消除逆变器输出电流中的高次谐波，经滤波后的电流达到并网要求可以实现并网或者直接供用户使用。
本实施例以光伏电池选取SunPower-SPR-230E-WHT-D太阳能电池模型为例，其仿真模型的基本信息如表1所示：
表1光伏电池仿真模型基本参数信息
Figure BDA0003076080070000041
Figure BDA0003076080070000051
根据图5可知。当光伏发电***某时刻输出电压、电流为V(n)、I(n)时，计算出此时的输出功率，接着在电压V(n)上施加一个周期性扰动，扰动电压为±ΔV，同时计算出扰动后的输出电压P(n-1)，与扰动前的P(n)相比较。若P(n-1)>P(n)，则继续向此方向施加扰动，反之则向反方向施加扰动。最终可使光伏发电***输出功率最大，从而实现最大功率点控制。
光伏并网逆变器种类很多可根据需求进行挑选。单片机主要用于MPPT控制、逆变器输出信号坐标变换、利用定时器产生触发脉冲等。光伏发电***的输出功率主要与光照强度有关，光照强度越高所产生的电能就越多。
本发明所选的光伏电池等效电路为单二极管模型，主要是以半导体特性及物理特性所建立的。其中主要包括了Iph，Io，Rs，Rsh和n五个参数，其中Iph为光生电流，Io为二极管反向饱和电流，Rs为串联等效电阻，Rsh为并联等效电阻，n(1≤n≤2)为理想因子通常取1.3。通过MATLAB/simulink来搭建其仿真模型并验证其I-V、P-V特性。为了提高光伏***发电效率实现最大功率点跟踪，采用了基于扰动观察法的MPPT控制算法。在采用三相三线制并网逆变器模型时，本发明使用的控制策略有别于传统的光伏逆变器并网控制方式。一般家用光伏发电***并为考虑光能的有效利用。而本发明采取MPPT控制器则可以在很大程度上提高光能的有效利用。
为验证本发明***的有效性，本实施例进行了仿真实验，本实施例采用的是单一变量控制，在温度保持不变(25℃)的情况下，通过改变光照强度irr来观察对光伏发电***输出的影响。图6表示光照强度随时间的变化，仿真时间t＝18s。图7为本发明用户侧光伏发电***的输出电流。由图6、图7可以看出本发明用户侧光伏发电***的输出电流波形与光照强度模型趋于一致，实现了单一变量控制。由图8可以看出，本发明用户侧光伏发电***的输出电压稳定，基本维持在875V左右。图9为本发明用户侧光伏发电***的输出功率与MPPT仿真图，从图中可以看出基于扰动观察法的MPPT动态性能良好，无论光伏阵列输出功率如何变化都能够在最短的时间较好地跟踪***输出的最大功率点且波动小。
图10为逆变器输出交流电流的电流谐波畸变率。从图中可以看出THD≈1.5％。满足总电流畸变率<5％的要求，电流谐波畸变率主要在PV***开始和结束点附近较高。
图11为逆变器输出的三相电流与经MPPT控制输出的参考电流Iref。结合图6可知。当光照强度以正弦趋势变化时，逆变器输出的三相电流也成正弦趋势分布，且变化趋势一致。而参考电流经MPPT-Current Control能够快速跟踪每个时间段三相电流的最大峰值，实现了电流最大值的跟踪。
根据电网是否需要无功功率确定，当Iqref＝0时，逆变器仅向电网输送有功功率。如图12所示逆变器向电网输送有功、无功功率的仿真图，其中无功功率为零。可以看出有功功率的输出波形与光照强度的输出波形趋势相同。
与传统光伏发电***相比，本发明***可以在很大程度上提高光伏发电的效率，本发明***直接将MPPT控制器的输出信号作为参考电流Idref，极大地简化和***的复杂度；且光伏阵列的输出功率可根据实际需求自行调节。既可以安装在用户侧，供用户日常使用，还可以提高输出功率供企业、小学、校区等地区供电。在电量富余时还可以将电能卖给国家电网；当遇到阴雨天气或发电量不足的情况下可向电网索取电能。经仿真验证本发明***输出电能质量良好，输出电流谐波畸变率小于5％，满足国家对分布式发电并网要求，电网起到了削峰填谷、平抑负荷的作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种用户侧光伏发电***，其特征在于，该***对并网逆变器控制进行优化，优化后的并网逆变器控制框架为：光伏阵列吸收太阳光将光能转换为电能，电能传递至并网逆变器，分别同时检测并网逆变器输出的三相电流与电网三相电压，通过锁相技术获取电网电压的频率与相位；将MPPT控制器的输出信号作为d轴的参考电流Idref，设置q轴的参考电流Iqref为零，并网逆变器三相电流通过Park变换得到dq轴id、iq，分别将id、iq与参考电流Idref、Iqref进行做差比较并通过PI控制调节实现无静差调节，经PI控制调节后，输出信号经反Park变换得到调制信号Uref，最后将调制信号输入SPWM产生触发脉冲驱动逆变器的开关。
2.根据权利要求1所述的用户侧光伏发电***，其特征在于，该***还设有锁相器，所述锁相器通过跟踪电网侧电压、频率同时为dq变换提供角频率ω，进而实现电网与光伏发电***同频同相。
3.根据权利要求1所述的用户侧光伏发电***，其特征在于，利用三相电流电压检测器分别采集并网逆变器输出的三相电流与三相电压，通过单片机算法编程经Park变换将采集到的三相电流转换为d、q轴电流id、iq。
4.根据权利要求2所述的用户侧光伏发电***，其特征在于，所述锁相器采用PLL锁相器。
5.根据权利要求1所述的用户侧光伏发电***，其特征在于，所述PI控制调节采用PID控制器实现。
6.根据权利要求1所述的用户侧光伏发电***，其特征在于，所述MPPT控制器采用基于扰动观察法的MPPT控制算法进行输出信号控制。
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