独立光伏发电系统的MPPT及并网控制研究

摘要:这些在地球上经过亿万年才生成的矿物能源,正面临一场即将耗尽的危机。全球各地都在积极应对不可再生能源危机这一问题。本文研究分布式发电技术中应用研究最为广泛的发电方式光伏发电及针对性的并网控制,对可再生能源的发展具有重要的意义。

关键词:能源;光伏发电;并网控制

一、绪论

(一)研究目的和意义

考虑到独立光伏发电系统的结构特性和设计初衷,装设并网逆变器又显得不现实。因此,设计一种只针对独立光伏发电系统的、能实现“即插即用”并网功能的控制器能够有效解决这一难题。

(二)研究内容

MPPT算法的优劣直接影响独立光伏发电系统能量的转换效率,并网控制器能够“即插即用”地实现独立光伏发电系统并网,则为独立光伏发电系统的多余能量的输出及负载供电的可靠性找到了新的解决方法。改进传统扰动观察MPPT算法及利用并网控制器实现独立光伏发电系统并网是本文研究的重点。

(三)应用价值

在交通不便的偏远地区,太阳能更是可以体现其的优势,为人们提供便捷的电能。另外,以光伏发电为主要组成部分的分布式发电系统可以从整体上提高电网系统的供电可靠性和稳定性。

二、光伏发电的现状

(一)国外现状

从上个世纪 90 年代以来,欧美国家首先掀起了发展“屋顶光伏发电系统”的研发高潮。各个国家开始推行政府补贴政策。例如德国的“2000 个光伏屋项计划”,同时制定了“可再生能源电力供应法”,推动了光伏发电市场的大力发展。美国的“百万个太阳能屋顶计划”。

(二)国内现状

目前,我国的光伏发电技术发展迅速,但是与世界先进水平相比,在技术层面还是落后于世界先进水平的,主要因为我国的太阳能发电研究起步较晚。随着我国与光伏产业水平先进的发达国家(德国、日本等)之间光伏项目合作的深入和国家对光伏产业的扶持补贴制度,有力的刺激了我国的光伏产业的发展。

(三)MPPT 的研究现状

太阳能光伏电池的输出特性具有非线性的特点,并且受光照强度、温度和负载的影响,光伏电池输出的直流电压只有在某一特定值时,光伏电池才能输出最大功率值,这时光伏电池就工作在该条件下 P-U 曲线的最高点,称之为最大功率点。根据外部环境条件的改变而不断调整光伏电池的输出功率,使之始终工作在最大功率点附近,这种技术称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point TrackingMPPT)技术。

三、光伏发电的MPPT控制研究

(一)MPPT的基本工作原理

根据图1光伏电池外恃性的I-U,曲线,可知光伏电池的输出电流和功率都是关于电压的非线性函数。但是P-U曲线都是成先上升后下降的趋势的,所整条曲线只有一个最离点,所以光伏并网系统只有在该最高点点对应的工作电压下工作才能输出最大功率。但是随着外界的日照强度、结点温度和负载的变化,户曲线也是变化的。在曲线上只有一个最高点的,理论上只要实时的调整光伏系统的工作电压,就可以使整个系统始终工作在最大功率点,提高光伏电池的转换效率。

(二)扰动观察法工作原理

扰动观察法的工作原理是:首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率,然后在该电压基础上加上一个扰动量(可以是电压扰动,也可以是占空比扰动),再测出此时的功率输出值,跟上一时刻的功率值比较,如果功率增加,说明最大功率点在当前工作点的右边,然后继续增加正向扰动;如果功率减小,说明最大功率点在当前工作点的左边,则加以反向扰动,重新寻找最大功率点。经过这样反复的扰动搜寻,直到输出功率稳定在设定的一个很小的范围内,则认为找到了最大功率点。

   

()改进的 MPPT 扰动观察法

首先固定电压控制算法设定一个最大功率点电压的起始参考值 ,测出此时光伏电池板的最大功率点电压 ,然后判断工作点是否远离最大功率点区间,经过算法计算,判断  之差的绝对值是否大于 ΔU的值。如果 ,则设定扰动步长较大,PI 控制将此时的输出电压锁定为新的最大功率点电压,并计算出占空比步长增量,然后循环,直到满足条件进入小步长扰动观察法的循环中。如果-,则直接进入小步长扰动观察法的循环寻优,直到功率变化近似为零,此时的输出功率即为光伏电池的最大功率点。由于该方法结合了大扰动步长法和小扰动步长法,从而避免了某时刻光伏电池的输出电压与该时刻实际的最大功率点电压差距较大时直接采用传统的扰动观察法,而导致算法冗长、跟踪速度较慢的缺点。

四、并网控制研究及仿真

(一)并网控制原理

在光伏系统中,逆变器的并网过程分为两个阶段,第一阶段是在逆变器并网之前,这时的光伏并网逆变器的输出处于开路状态,输出电流为零,为了平滑的接入电网必须将其开路电压的幅值、相位和频率调整为与电网电压一致。运些过程依靠控制器的采样单元和内部算法完成,顺利的将光伏发电系统并入电网。

(二)并网时刻选择电路

光伏系统的上升过零点信号采集系统和配电网的过零点采集系统组成部分基本相同,区别是信号设置频率不同,配电网取 50Hz,光伏发电系统取 49.8Hz。由时钟模块和上升沿过零点脉冲触发模块组成,该模块能够记录上升沿过零点脉冲触发的时刻,将信号传递给过零点重合检测子系统。过零点重合检测子系统通过检测光伏系统和配电网的上升沿过零点时刻是否相同而向断路器发出指令,若重合则发出断路器闭合指令,并将信号传递给脉冲保持电路,若不重合则忽略信号。脉冲保持电路的功能是输出保持并网运行状态的信号,在 Matlab/simulink 中可采用半可控晶闸管代替。当触发并网时刻,晶闸管导通之后,如果不加反向电压就一直处于导通状态,使得线路电压参数维持在满足并网条件的状态。电压幅值检测电路则对不满足并网电压条件的上升沿过零点触发脉冲进行选择。并网时刻选择电路如图 8 所示。

(三)独立光伏发电系统并网仿真

根据前面的分析,利用 Matlab/Simulink 软件,搭建了光伏发电系统并网系统各个部分的仿真模型,主要包括独立光伏发电系统模型、并网控制器模型。配电网侧的模型用基于实际考虑的理想三相电压源等效代替。独立光伏发电系统主要由光伏电池模型、逆变器 MPPT 控制模型、滤波装置、负载等组成。并网控制器仿真模型包括并网控制器装置、三相整流电路、三相逆变电路、变压器、滤波装置、控制系统等组成。由于光伏发电系统及并网控制器的综合并网仿真模型过于复杂,仿真运行时间太长,不利于分析。因此选择将独立光伏发电系统用电压源等效。仿真模型图如图 9 所示。

 

五、结论

1)详细阐述了最大功率点跟踪方法的工作原理,比较了传统的光伏阵列MPPT方法,在光伏阵列出现局部阴影情况时,光伏电池的P-U持性呈现多峰恃性,基于单峰特性的最大功率的跟踪方法不再适用时,提出了一种基于模拟退火粒子群算法的全局最大功率点跟踪方法,该方法将粒子群算法和模拟退火算法相结合,可见实现全局最大功率点的准确快速跟踪,提高了光伏电池的转换效率。

(2)着重分析了光伏发电的并网控制,通过分析光伏发电的并网控制原理,研究并网控制时刻选择电路,对独立光伏发电系统并网控制各个部分的仿真模型进行了搭建。

参考文献

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[2] 姚光辉光伏并网发电系统设计及MPPT技术研究[D]. 浙江大学 2014

[3] 陈丽文光伏发电系统建模及功率控制方法研究[D]. 兰州理工大学 2014

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[5] 胡长武光伏发电系统最大功率跟踪方法研究[D]. 辽宁工业大学 2014

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