光伏并网逆变器功率优化的能量耦合关系研究

光伏并网逆变器功率优化的能量耦合关系研究

0光伏组件功率跟踪模型基于高频功率变换的序列，波形输出矩阵通常分为两种类型：单级式和二级式。采用单级式逆变器时,由于只需一次高频功率变换,具有变换效率高、光伏组件利用率高、可靠性高等显著优点［1～6］。单级式光伏并网发电系统主要包括光伏组件、滤波电容和并网逆变器,如图1所示。由于光伏组件输出功率近似为平滑的直流,而并网逆变器输出功率呈周期性脉动,因此光伏组件与并网逆变器之间需要足够大的滤波电容,以平衡并网逆变器与光伏组件间的瞬时功率差,该电容的引入导致了光伏组件、并网逆变器以及滤波电容三者之间的能量耦合。光伏组件输出功率与输出电压之间为非线性关系,如图2所示。为了实现光伏组件输出功率的最大化,需要对光伏组件进行最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)［6～14］。现有的MPPT方法一般是通过对并网逆变器的输出功率施加小的扰动,通过一定的算法判断光伏组件输出功率的变化趋势,进而决定下一步施加扰动的方式。上述施加微小扰动的MPPT方法是在光伏组件输出特性稳定的前提下进行的。在光照条件、温度条件或其他不可知的外部因素发生变化而导致光伏组件输出特性发生变化时,也即光伏组件的输出功率发生剧烈变化时,由于滤波电容的能量耦合作用,光伏组件输出功率的变化并不能在并网逆变器输出功率上实时体现,因此基于稳态分析的MPPT方法不能保证并网逆变器的输出功率实时跟踪光伏组件输出功率的变化,严重时会使MPPT算法失效,导致系统崩溃。文献[6,7]利用单级式光伏并网逆变器中电容电压波动所反映的能量关系,研究了无电流传感器的MPPT算法,但未分析电容储能对MPPT稳态和动态性能的影响;文献分析了单级并网逆变器中电容储能对稳态MPPT性能的影响,给出了储能电容的选取准则,但未分析储能电容对MPPT动态跟踪性能的相互影响关系;文献分析了单级并网逆变器中MPPT算法的稳定性,提出采用变步长的算法来改善动态性能,但也未分析储能电容对MPPT性能的影响。本文分析研究了单级式并网逆变器滤波电容的能量耦合关系。把光伏组件的输出特征曲线划分为非稳定区、稳定区和滑模变结构区,并给出了判别区域的方法。通过理论分析和计算推导,在光伏组件输出功率发生剧烈变化时,利用光伏组件、滤波电容、并网逆变器三者之间的耦合关系以及滤波电容电压的变化,精确计算出并网逆变器下一个功率周期的输出功率给定,在一个功率周期内解除滤波电容与并网逆变器和光伏组件之间的能量耦合关系,改善MPPT动态性能。1光伏组件与并网变压器间的功率耦合单级式光伏并网发电系统结构图如图1所示。如果忽略逆变器损耗,二者(Pinv、Po)近似相等。根据瞬时功率平衡关系:式中,PC———滤波电容的功率;PPV———光伏组件的输出功率;Pinv和Po———分别为单级式并网逆变器的输入、输出功率,其中:式中,———逆变器输出功率峰值,ω=100π。由式(2)可看出,由于逆变器的输出功率Po为大脉动的直流量,而光伏组件在稳定工作时输出的功率是接近恒定的直流量,因此光伏组件与并网逆变器之间需通过大容量电容实现它们之间的功率解耦。在单级并网逆变器中,电容电压uC就是光伏组件的输出电压,其单调性由流入电容的功率的符号决定。由图2及式(1)、式(2)可得到光伏组件的功率-时间曲线和电压-时间曲线,如图3所示。通过以下分析可看到,面积关系反映了能量耦合,而电容电压uC的单调性关系则反映了系统工作区域。1.1电容电压uc单调图3中,N1、N2和N3分别为光伏组件的输出功率PPV与逆变器的输出功率曲线Po的交点。L1和L2分别表示PPV曲线上N1至N2,N2至N3的分段曲线。C1、C2分别表示Po曲线上N1至N2,N2至N3的分段曲线。SI表示由C1、L1围成的面积,SII表示由C2、L2围成的面积。SI表示逆变器输出功率大于光伏组件输出功率的区域,此时电容放电,电容电压uC单调下降;而SII表示逆变器输出功率小于光伏组件输出功率的区域,此时电容充电,电容电压uC单调上升。如果SI=SII,则称为平衡工作点,即电容在一个市电功率周期内净能量流为零,逆变器输出能量与光伏组件输出能量在该周期内实现解耦。1.2电池电极电压极值点分析将图2按P-V曲线的单调性划分为单调增的A区、单调减的B区以及非单调的M区。如图2以及与之对应的时间曲线(如图3所示),系统工作于A区时,PPV随uC的上升而上升,两者具有同样的单调性;B区,PPV随uC的上升而下降,两者具有相反的单调性。如果系统工作于M区,则对应图3的N1N2段以及N2N3段都将不再是单调曲线,因为意味着每一段都扫过MPP点,故每段曲线都必然是凸线,极值点即为MPP点。由于P-V曲线在M区域近似对称,N1至N2段,N2至N3段分别以该曲线的时间轴中心线近似对称。所以,根据功率-时间曲线和电压-时间曲线的单调性关系,即可判断系统工作于哪个区域。从以上分析得知,电容电压极值点对应着光伏组件输出功率与逆变器输出功率曲线的交点。这些交点对应的角度不仅反映了系统的工作区域,在后面的分析中可看到,它们也进一步反映了电容能量是否解耦,即系统是否工作于平衡点。在图3中,设t1时刻对应的角度为α1,t2时刻对应的角度为α2,则系统在线性区(A区与B区)时,t1时刻至t2时刻的功率差值为:对应图3中的N1N2线段,由于逆变器输出功率大于光伏组件输出功率,电容电压uC单调减。因此,如果光伏组件输出功率位于A区,则N1N2对应的输出功率单调减,即ΔP<0;反之在B区,则ΔP>0。因此,通过检测电容电压,求出单调性改变点的角度为α1和α2,并进一步求出ΔP的符号便可以判断系统工作点是位于A区还是B区。考虑到在M区域,P-V曲线近似对称,因此可得到α1+α2≈π,即ΔP近似为零。此时L1曲线不单调,系统滑过了MPP点,因此L1呈现上凸形状。无论系统工作在什么区域,逆变器功率曲线与光伏组件功率输出曲线每次相交时,都意味着PC改变方向。2能量解耦系统通过下面分析可看到,系统处于M区域时如果能量能够解耦,则其在MPP附近表现为小幅摆动的稳定的“变结构滑动模态运动”。亦即,在M区实施能量解耦构成了MPP稳定的充分条件。2.1ppv增加与uc增加的过程在图2中,假设系统分别处于A0点和B0点时都处于平衡工作点。在A0点时,假设并网逆变器输出功率Po有一个正扰动,将导致滤波电容电压uC降低,即光伏组件输出功率PPV降低,系统由A0向A1运动;PPV降低意味着电容能量为净输出,因而uC进一步下降,即PPV降低与uC下降的过程构成了正反馈,将最后导致系统崩溃。若Po有一个负扰动,uc增加,系统由A0向A2运动,PPV增加,PPV增加意味着电容能量为净输入,因而uC进一步增加,此运动导致uC进一步增加,即PPV增加与uC增加的过程也构成了正反馈,将最后导致系统爬过顶点。所以,A区为不稳定区域,应避免工作于此区域。工作于B0点时,假定并网逆变器输出功率Po有一个正扰动,将导致uC降低,即PPV增加,系统由B0向B2运动;由于PPV增加意味着电容能量为净输入,因而uC的将升高,系统由B0向B2运动自动受到扼制。同理,当Po有一个负扰动时,系统由B0向B1运动也同样受到扼制而回到B0点。以上两个过程都等价于负反馈过程,所以,B区是稳定区域。在M区域,系统由于变结构而以滑动模态摆动于稳定区和非稳定区之间,处于一个特殊的稳定状态。滑模运动存在的第一个必要条件是系统变结构。无论是系统由稳定区进入非稳定区,还是由非稳定区进入稳定区,都发生了功率与电压关系的单调性变化,等价于系统结构变化,变结构点即是P-V曲线的极大值点。滑模运动存在的第二个必要条件是控制量极性变号,而逆变器功率曲线与光伏输出功率曲线相交,净功率流变号,则等价于控制量变向。定义变结构为系统滑过极点引起光伏组件输出功率与输出电压的单调性关系发生变化,定义控制量变向为光伏组件输出功率与逆变器直流脉动功率必相交而引起电容电流变方向,即电容电压单调性变向。在此控制模式下,如果电容能量解耦,即一个功率周期电压变化为零,则对应系统滑过P-V曲线极点后反向滑回初始点,因此,MPPT问题也就转化成为系统进入M区后的电容能量解耦问题。2.2基于l1的功率解耦图3中,如果系统工作于A区和B区,则L1和L2近似为直线,故C1、C2、L1、L2可分别用式(4)表示:由此积分可得到SI和SII:由以上分析可知,如果使得功率解耦,需保证SI=SII。令SI=SII,可得:由式(7)可得到以下结论:若系统平衡工作,则α2-α1=π/2,且若在A区则α1>π4,若在B区则3光伏组件用能量解耦mpptMPPT的最终目的是实现系统发电量最大。因此,MPPT算法由两个指标评价:功率到达MPP点的时间以及到达MPP点后的功率或电压摆幅。根据前述分析可知,如果在MPP点电容能量解耦,则系统内在实现“滑模变结构运动”状态,但在系统进入M区之前,能量解耦并无必要,因为无论是在A区还是B区,能量解耦意味着系统在该点相对稳定。特别是系统从开路电压启动过程中,如果在B区就能量解耦,意味着系统进入M区的过程缓慢。MPPT跟踪的目的是使光伏组件的输出功率最快上升至Pm,这等价于组件电压即电容电压最快下降至uCm,这进一步等价于逆变器以最大功率输出。而PPV上升至Pm后快速稳定,则等价于系统在到达Pm时能立刻被牵引进入“滑模变结构运动”状态,即立刻实施能量解耦。在A区和B区时,图4中L1的中点坐标为:如果系统解耦,可将式(7)带入式(8),得因此如果以为下一周期的功率给定,即可实现近似解耦。以上提出的功率解耦方法,特别适用于系统启动及光照突变的情况。4新型加大解耦控制实验搭建了一台反激式光伏并网逆变器实验样机,样机主要参数如表1所示,采用SIM4.0型PV模拟器模拟光伏板输出特性,采用扰动观察法实现MPPT。图5给出了加入解耦控制前后的系统启动波形,其中图5a是未加入解耦MPPT算法的启动波形,图5b、图5c是加入解耦MPPT算法的启动波形,图中UC、iinv分别为解耦电容电压波形和并网逆变器输出电流波形。从图5a、图5b的对比波形图中可看到,加入解耦算法后,启动速度明显快于未加入解耦时的系统启动速度,系统启动时间可减小约一半;从图5c可看到,加入解耦算法以后,系统启动时以最大功率启动,当检测到电容电压达到最大功率点时,能够在一个功率周期内解除电容的能量耦合,锁定最大功率区域,从而实现快速跟踪。图6给出了模拟器最大功率点功率从160W突降至90W时,加入解耦控制前后的对比实验波形,其中图6a为未加入解耦时的实验波形,从图中可看到,当功率瞬间跌落时,系统不能立即响应跟踪功率变化,导致输入电压瞬间跌落,然后又缓慢启动;图6b为加入解耦后的实验波形,根据电容电压的变化,系统能在单周期内实现电容电压也即光伏电池输出电压的稳定,实现快速跟踪,保证系统良好的稳定性能。实验波形表明了所提出解耦控制方法的有效性