基于滑模矢量控制的光伏井網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究

引言

近年來(lái),太陽(yáng)能光伏發(fā)電在新能源發(fā)電中的占比越來(lái)越大。光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的互聯(lián)通常需要使用逆變器等電子電力轉(zhuǎn)換器。在光伏并網(wǎng)逆變器應(yīng)用方面,最為廣泛的是集中式結(jié)構(gòu),即僅使用一個(gè)逆變器,其直流側(cè)連接到太陽(yáng)能電池板。然而,這種架構(gòu)存在一些局限性,即太陽(yáng)能的利用率和系統(tǒng)的可靠性受限于太陽(yáng)能電池板對(duì)能量的吸收利用情況。因此,為了克服這些不足,有學(xué)者提出了光伏發(fā)電分散式逆變器架構(gòu),可通過(guò)多個(gè)逆變器同時(shí)連接多個(gè)太陽(yáng)能電池板。

近年來(lái),諸多學(xué)者提出通過(guò)采用多電平逆變器解決電壓失真和耦合濾波器依賴問題,其中多級(jí)變換器中使用最多的一種是級(jí)聯(lián)式多級(jí)逆變器[。該變換器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由標(biāo)準(zhǔn)單相兩電平逆變器組成,由于使用了大量的逆變器,因此得到了一個(gè)高度分散的系統(tǒng),但這種方案的缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜,難以工業(yè)實(shí)現(xiàn)。也有學(xué)者提出了一種簡(jiǎn)化方案:將光伏陣列分為兩組,每組連接兩個(gè)兩電平三相VsI,但硬件結(jié)構(gòu)上需要增加一個(gè)低頻變壓器。另一種解決方案是使用兩個(gè)三相四開關(guān)兩電平逆變器,該方案可以在光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓存在不平衡時(shí)將三相電壓注入電網(wǎng)系統(tǒng),助力并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)。

基于此,本文提出了一種基于三個(gè)兩電平三相逆變器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的控制方法,該控制策略基于空間電壓矢量調(diào)制器的滑動(dòng)電流控制方法具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性。此外,該控制策略通過(guò)向電網(wǎng)注入不平衡電流來(lái)減少光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓不平衡。最后,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

1光伏發(fā)電系統(tǒng)滑模矢量控制

本文所提控制方法是針對(duì)基于模塊化兩電平三相逆變器的分布式光伏發(fā)電架構(gòu),該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是產(chǎn)生交流多級(jí)電壓,如圖1所示。

逆變器交流輸出電壓通過(guò)低頻變壓器繞組與電網(wǎng)系統(tǒng)相連。每個(gè)光伏板組可以連接到每個(gè)逆變器,或直接連接到逆變器的直流母線,或通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以根據(jù)大電網(wǎng)需要向電網(wǎng)注入三相平衡或不平衡電能,如當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)電壓不平衡發(fā)生電壓跌落時(shí),可幫助并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行恢復(fù)。由于可根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度向電網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)充因跌落引發(fā)的能量損失,反過(guò)來(lái)也增加了大電網(wǎng)系統(tǒng)的容量。

若要得到多電平逆變器所能產(chǎn)生的所有可用電壓相量,則首先需要定義轉(zhuǎn)換器的模型。在此模型中,假設(shè)將晶體管視為理想開關(guān),其數(shù)學(xué)描述可表示為:

其中,s∈{1,2,3,4,5,6,7,8,9(,i∈{1,2,3(,j∈{1,2,3(。

由式(1)可得出不同開關(guān)狀態(tài)下的電壓矢量為:

通過(guò)C1ark變換可將式(2)由三相電壓矢量轉(zhuǎn)換為α8坐標(biāo)系下的電壓矢量,具體為:

由式(1)(1)(3)可以發(fā)現(xiàn),在a80三維空間坐標(biāo)系下有511個(gè)電壓相量。為了更好地表達(dá)在三個(gè)雙向空間中的不同電壓矢量,考慮到V0=VCo1=VCo1=VCo3,在a8平面上得到54個(gè)不同的電壓相量,如圖2所示。

由于逆變器的目的是向電網(wǎng)系統(tǒng)輸入交流電壓通過(guò)控制電流控制器中的電壓矢量,可以調(diào)節(jié)實(shí)際輸出電流圍繞參考電流變化。

為進(jìn)一步設(shè)計(jì)電流控制器,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

從式(4)給出的動(dòng)態(tài)方程中可以得出光伏并電系統(tǒng)在a80坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

通過(guò)式(5)所示的a8動(dòng)態(tài)方程,可以設(shè)計(jì)出電流控制器。由于滑模控制具有魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性高的優(yōu)點(diǎn),交流電流的跟蹤控制采用滑模控制器實(shí)現(xiàn)。由于光伏發(fā)電多電平逆變器需要在電網(wǎng)電壓平衡和不平衡狀態(tài)下運(yùn)行,因此必須控制三個(gè)分量的電流。

由式(5)也可以知道,交流電流的強(qiáng)相對(duì)程度為1,故滑?？刂破骰Ｃ鏋?

此外,跟蹤控制器必須定義要施加的電壓矢量,因此需要一個(gè)電壓調(diào)制器。給定圖2所示的a8平面的電壓電平,則式(6)所示的每個(gè)滑模面的輸出將通過(guò)滯環(huán)比較器量化為15級(jí)(sa)和9級(jí)(s8和s0),具體如表1所示。

設(shè)定入a,8取值區(qū)間分別為入a,8=-S,-6,-5,-4,-3,-2,-l,0,l,2,3,4,5,6,S,則滯環(huán)比較器的輸出即為電壓調(diào)制解調(diào)器的輸入,上述過(guò)程將通過(guò)開關(guān)表實(shí)現(xiàn)。表l所示的開關(guān)表是滑動(dòng)表面a和8的電壓矢量函數(shù),可分別分解為a0的函數(shù)和80的函數(shù)。為了更好地理解該開關(guān)表,舉例說(shuō)明如下:假設(shè)入a,8取值分別為-S、-2和+3,則a8平面下的最優(yōu)輸出電壓矢量為34。由于這些相量與0軸的面積正區(qū)相關(guān),那么該電壓矢量選擇正確。但是,如果滯環(huán)比較器輸出值為-S、-2和-3,則a8平面下的最優(yōu)輸出電壓矢量不再是34,因?yàn)樗荒艽_保與0分量相關(guān)的滑動(dòng)面將趨于零。

2仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Matlab仿真軟件對(duì)所提出的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和控制方法進(jìn)行了測(cè)試,設(shè)定電網(wǎng)電壓為230/400V,系統(tǒng)頻率為50Hz,逆變器直流側(cè)參考電壓為60V,采用匝數(shù)比為l:5的變壓器,與電網(wǎng)相連的濾波器電感參數(shù)為10mH。

為驗(yàn)證該控制策略的有效性,分別進(jìn)行了電網(wǎng)電壓平衡和不平衡狀態(tài)下的仿真試驗(yàn)。圖3所示為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)流入電網(wǎng)電流不同時(shí)的電流波形,圖3(a)為注入峰值為20A平衡電流時(shí)的逆變器實(shí)際輸出電流波形,圖3(b)為分別注入峰值為28、38、48A不平衡電流時(shí)的逆變器實(shí)際輸出電流波形。可以看出,設(shè)計(jì)的電流傳感器具有很好的電流跟蹤性能,同時(shí)也驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以平衡和不平衡兩種狀態(tài)運(yùn)行的可行性。

為了驗(yàn)證基于滑模控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,在0.15s時(shí)刻改變參考電流大小。從圖4(a)中可以看出,在0一0.15s期間,實(shí)際輸出電流運(yùn)行平穩(wěn),在0.15s電流發(fā)生突變時(shí)可瞬間響應(yīng)并緊密跟蹤新的參考電流變化,說(shuō)明該控制策略具有很好的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)為了驗(yàn)證電網(wǎng)在平衡和不平衡狀態(tài)之間切換運(yùn)行的可靠性和快速性,分別模擬了電網(wǎng)系統(tǒng)平衡狀態(tài)切換至不平衡狀態(tài)及不平衡狀態(tài)切換至不平衡狀態(tài)兩種運(yùn)行模式,如圖4(b)和圖4(c)所示,結(jié)果表明,不論電網(wǎng)系統(tǒng)處于什么運(yùn)行狀態(tài),該控制策略總是具有很好的跟蹤性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,也說(shuō)明了該控制策略可普遍適用于電網(wǎng)各種運(yùn)行狀態(tài)。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于三相兩電平逆變器的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略,將滑模交流電流控制器的輸出量作為電壓空間矢量調(diào)制器的輸入量。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制策略具有很好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,且該控制器能夠滿足電網(wǎng)系統(tǒng)在平衡和不平衡工況下運(yùn)行。同時(shí),仿真結(jié)果也驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多電平運(yùn)行的可行性和有效性。