2并网发电-王健

3/3太阳能光伏电池并网发电控制系统研究王健潘忠凯摘要：目前，太阳能光伏发电将成为重要的替代型发电手段。本文所涉及的并网系统中,太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPＴ）和并网的实现是两大重点,使用DSP200０系列的控制芯片和Z-源逆变器来实现对应功能.最大功率点跟踪方法使用电导增量法，能适应日照强度的快速变化；Z-源逆变器的调制使用的是统一的空间矢量法;ＤSP数字信号处理芯片能过采集并网的电信号来对光伏阵列模块和逆变器进行调节.关键字:最大功率跟踪;电导增量法；DＳＰ数字信号处理;Z—源逆变器SolａrｐhotｏvoltaｉｃcelｌsforpowergenerationcontroｌsysteｍＡbstraｃｔ：Nowａdａys，soｌarphotovoｌｔaｉcｐoweｒgenｅrationｗiｌlbeｃomeanｉｍporｔantｍeanｓofalteｒnaｔiveｐowergenerａtion.Ｉnvolvedinthisgrｉdsystem，solaｒpｈotovoltaiｃarrａysmaximumpowerpointtrackinｇ（MPPＴ)aｎdtｈｅrｅalizａtiｏnofthegrｉdaｒｅthetｗｏkey，ｕｓethｅDSＰ20０0seriesｏfｃｏntrｏｌｃhipaｎｄＺ-sｏuｒｃeinvｅrteｒｔoａｃhiｅvｅｔhecｏｒrespoｎdingfｕnｃtionｓ．Ｍaximuｍｐｏwｅrpointtraｃkinｇmｅｔhodｕsesｔhｅincreｍｅntalcoｎdｕcｔａncemｅtｈoｄ,ａblｅtoaｄaptｔｏrapｉdｃhangｅsinsunlighｔintｅnsitｙ；Ｚ－ｓoｕｒceiｎvｅrtermodulationｕsｉngasinｇleｓpａｃeｖeｃtｏr；ＤSPdigitaｌsignalprｏｃeｓsiｎｇchｉpcａnsigｎaloｖernetｗｏｒｋtocｏｌlｅcｔａndArrayｏfpｈotovｏltaicmodｕlesandｉnverｔeｒstoaｄjust.Keyworｄs：MＰPT;incrｅmｅｎtalcoｎｄuctanｃｅｍethod;DSPdigｉtａｌsiｇnalprocｅsｓing;Z－sｏurceｉnvertｅｒ引言:能源供应紧张和环境保护的压力使清洁可再生能源发电技术在世界范围内受到高度重视。其中，光伏并网发电作为一种具有广阔前景的绿色能源发电方式近年来获得了巨大的发展。而太阳能光伏发电在实际应用中有两个技术难题，一个是如何最大限度地利用光伏电池产生的能量；另一个是将所产生的电量如何并电网[１].１、Z—源逆变器并网逆变器是光伏并网发电系统的核心装置。并网逆变器一方面将光伏阵列发生的直流电转换为交流电，又可以对交流电的频率、电压、电流、相位、有功和无功、同步等进行控制以实现与电网并联功能。Z－源逆变器由独特的Z-源网络和传统的三相逆变桥构成(图1所示)。其中，电感Ｌ1和L２与电容C１和C2构成Z-源网络特有的X型结构.右侧为传统的三相逆变桥由开关器件S1~S6组成。电感Lf与电容Cf构成LC输出滤波电路;ｅ为三相电网电动势。图1Z源逆变器原理图Ｚ－源逆变器具有升压功能、可靠性强、简单高效等特点。通过控制直通占空比可实现升压功能,可以降低逆变器的功率等级，在光伏电池最大功率点电压随环境大范围波动的情况时，保持逆变器输出电压能够满足并网要求。由于增加了Ｘ型结构,在直通的情况下，不会导致电路短路，不仅节省了保护电路的冗余,而且也增加了系统的可靠性。图1Z源逆变器原理图Z－源逆变器通过给桥臂加入直通状态实现升压,由于逆变器输出电压只与有效状态有关,为了使直通零状态不影响逆变器输出电压，在控制中需要把直通零状态加在传统零矢量里面。所以直通占空比d0和逆变器调制因子M之间就有一定的约束关系(具体视控制策略而定).所有的研究都是分别控制直通占空比d0和逆变器调制度M来实现直流链升压和逆变器并网功能。两个自由度的独立控制给系统的控制器设计带来了方便。但直通占空比d0和逆变器市制度M之间有一定的制约关系(如图2）。图2直通占空比和调制因子的关系空间矢量脉宽调制(spａceveｃtorｐulｓewidｔｈmodｕlaｔiｏｎ，SＶＰWM）。由于电压利用率高、线性调制范围宽、输出谐波低、动态响应快等特性在三相逆变器中得到了广泛应用。Z-源逆变器采用空间矢量脉宽调制控制时，不仅具有传统空间矢量脉宽调制控制方法的上述优点，同时在输出电压相同的情况下,与正弦脉宽调制（sinｕsoidalpuｌsewiｄｔhｍｏｄｕｌatｉoｎ,SPWM）相比可以降低升压因子,从而可以降低器件应力[3，4，5］。图2直通占空比和调制因子的关系２、基于ＰＩ控制和DＳP芯片的最大功率跟踪和空间矢量的脉宽调制图3Z-源逆变器光伏并网系统单级控制框图右图所示为现有的模拟量的并网系统单级控制框图。阴影部分的UＳＶPWＭ控制就是统一电压空间矢量控制。逆变器输出电流控制实现有功功率和无功功率的独立控制.用两个ＰI补偿器来减少电流误差，PI控制器的输出值作为滤波电感的电压参考值,和电网电压一起生成逆变器输出电压的参考值，实现USVＰWM控制。令无功电流参考值等于零，有功电流由光伏电池提供给定，这种控制策略是通过电流调节环的运算获得指令电压矢量，并通过基本矢量的合成实现对指令电压矢量的跟踪控制,从而实现Z-源逆变器统一电压空间矢量的电流控制图3Z-源逆变器光伏并网系统单级控制框图图4DSP芯片控制PI与脉宽调制系统简明框图以上的方法首先需要转换坐标，再通过对Z—源逆变器输出量的检测,经过对比和计算，得到反馈信号,计算比较繁琐。对于这种情况，如果使用数字式的处理芯片ＤSＰ能使结构简洁，而且运算能力比较强的ＤＳP控制芯片在这方面的优势也比较明显。图4DSP芯片控制PI与脉宽调制系统简明框图使用DSP处理芯片时,保留框图的主要结构，增加传感器把需要采集的反馈信号通过A／D传送到DSＰ芯片内，经过ＤＳP的运算，直接得到PI控制器和脉宽调制的参数.DＳP对系统的控制通过PWＭ波来实现：ＴＭS320Ｆ２4０的外部事件管理模块,可以方便地产生６路带有可编程死区和输出极性的ＰWM波.主要由通用定时器,非对称／对称波形发生器，可编程的死区发生单元，输出逻辑控制单元，以及空间矢量PWM产生单元.通过对比较单元寄存器进行适当的设置可以方便的发出所需的SＰWM波。其中采集PI控制器信号用作最大功率跟踪部分，使用的方法为电导增量法。其原理是在最大功率点处，有dｐ/ｄu＝0，即满足dｉ／du=—i/u。它比扰动观察法好,能适应日照强度快速变化.结束：本文所涉及的太阳能光伏并网发电系统使用Ｚ－源逆变器与DSP芯片来实现并网。Z—源逆变器作为一种单级的升压变相装置使电路结构简单可靠，并网系统控制起来比较方便；ＤSＰ作为一种控制芯片有很强的运算能力和处理速度，在最大功率跟踪和脉宽调制方面都有很好的优势.参考文献：［1]ZobaaAF，ＣecatｉC.Ａcomprehensivｅrevieｗondｉstribｕteｄpoｗergeｎeration［Ｃ］．InｔｅｒｎatｉoｎaｌSymposiuｍｏnSPEＥDAＭ，Taｏrｍina,[2］傅诚,陈鸣，沈玉梁等.基于输出参数的大功率点控制[J］.电工技术学报,2０07，22（2）：14８—152．[3]丁新平，卢燕等．Ｚ源逆变器光伏并网系统光伏电池ＭＰＰT和逆变器并网的