0引言

近年來(lái),諸多學(xué)者針對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電能力提升開(kāi)展了大量研究,split源逆變器由于具有低開(kāi)關(guān)應(yīng)力、高開(kāi)關(guān)利用率等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注,在此基礎(chǔ)上很多文獻(xiàn)又具體研究了二極管籍位型、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)多電平等split源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)^[1—3],并在如何提高增益方面進(jìn)行了深入研究。

針對(duì)split源逆變器控制,文獻(xiàn)[4]提出了一種基于解耦調(diào)制技術(shù)的三相并網(wǎng)控制方案,文獻(xiàn)[5]提出了基于三相并網(wǎng)系統(tǒng)的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制方法,該方法不需要非常復(fù)雜的解耦調(diào)制技術(shù),也不需要鎖相環(huán)(PLL)。本文提出了一種基于單相Split源逆變器的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制方案,通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法獲得split源逆變器參考輸入電流,并將其作為模型預(yù)測(cè)控制器的輸入量,通過(guò)滾動(dòng)預(yù)算,獲得下一個(gè)采樣時(shí)刻的最優(yōu)輸出。同時(shí),采用線性PI控制器對(duì)直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),以此獲得并網(wǎng)點(diǎn)電流參考值。

1 SpIit源逆變器

單相Split源逆變器由單相電壓源逆變器和電感L、直流電容c組成。由于電感的充放電特性,通過(guò)Split 源逆變器可以實(shí)現(xiàn)升壓操作。Split源逆變器輸出為四種開(kāi)關(guān)狀態(tài):1)當(dāng)Sau=0,Sbu=0時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)定義為S0; 2)當(dāng)Sau=1,Sbu=0時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)定義為S1; 3)當(dāng)Sau=0, Sbu=1時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)定義為S2; 4)當(dāng)Sau=1,Sbu=1時(shí),開(kāi)關(guān)狀態(tài)定義為S3 (Sau=0表示開(kāi)關(guān)關(guān)閉,Sau=1表示開(kāi)關(guān)打開(kāi),Sbu=0,1同理)。當(dāng)至少一個(gè)上臂開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí),電感處于充電過(guò)程;當(dāng)上臂開(kāi)關(guān)均關(guān)閉時(shí),電感處于放電過(guò)程,因此只有在S0狀態(tài)下,電感放電,如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的充放電等效電路,Split源逆變器輸入電流i_L可表示為:

式中:e為輸入電壓;L為儲(chǔ)能電感;R_L為電感電阻;v_inv為電容兩端電壓;S為逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2模型預(yù)測(cè)控制策略

圖2所示的控制方案旨在跟蹤-定溫度和光照輻射下的最大輸出功率,有限控制集模型預(yù)測(cè)控制(FCS-MPC)算法的目標(biāo)是同時(shí)控制網(wǎng)側(cè)電流i_g和Split源逆變器輸入電流i_L,網(wǎng)側(cè)參考電流值iLef由直流側(cè)電壓參考電壓V_inv^ref和實(shí)際電壓的差值通過(guò)PI控制器獲得,同時(shí)Split源逆變器輸入電流參考值i_L^ref為MPPT控制器輸出,本文最大功率點(diǎn)跟蹤采用擾動(dòng)觀測(cè)算法實(shí)現(xiàn)。

在FCS-MPC算法中,通過(guò)價(jià)值函數(shù)表征跟蹤性能,函數(shù)值越小,說(shuō)明跟蹤性能越好。而在一個(gè)離散采樣周期內(nèi),Split源逆變器只能輸出一種開(kāi)關(guān)狀態(tài),使價(jià)值函數(shù)最小。

通過(guò)前向歐拉法將式(1)離散化,可得出K+1時(shí)刻下的Split源逆變器輸入電流為:

式中:Ts為采樣周期;式(1)中的輸入電壓e即為光伏輸出電壓v_p;v_inv為電容兩端電壓。

Split源逆變器輸出電壓v_i可表示為:

式中:v_g、i_g分別為網(wǎng)側(cè)電壓、電流;R_f、L_f分別為濾波電阻、電感。

將式(3)離散化可得k+1時(shí)刻的網(wǎng)側(cè)電流為:

其中,Split源逆變器在離散模式下的輸出電壓 v_i(k)為:

由于Sau、Sbu跟隨開(kāi)關(guān)器件狀態(tài)變化,所以v_i(k)數(shù)值大小取決于k時(shí)刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

因此,有限控制集模型預(yù)測(cè)控制器價(jià)值函數(shù)可表示為:

通過(guò)式(6)滾動(dòng)演算,最終可得到k+1時(shí)刻下使價(jià)值函數(shù)?最小的最優(yōu)電壓矢量,從而使得網(wǎng)側(cè)電流i_g 和Split源逆變器輸入電流iL能夠緊緊跟隨其參考值變化。

3仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出的基于split源逆變器的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制方法的有效性,進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。光伏裝機(jī)容量設(shè)定為2KVA,L_f=9mH,L=4.33mH,C=400μF,u_g=220V,R_f=1.6Ω,R_L=0.5Ω,Ts=50μs,C_pv=50μF,u_inv^ref=475 V,其中C_pv為光伏輸出穩(wěn)壓電容。

系統(tǒng)在環(huán)境溫度25℃和1 000 W/m²光照強(qiáng)度下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖3所示,可以看出,并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流具有很好的正弦特征,且電壓、電流保持同相位,說(shuō)明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)保持單位功率因數(shù)運(yùn)行。從圖3(c)(d)運(yùn)行結(jié)果可知,Split源逆變器輸入電流較為穩(wěn)定,直流側(cè)電壓呈現(xiàn)低階紋波特性,其波動(dòng)頻率為電網(wǎng)頻率的2倍。

不同光照強(qiáng)度變化下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖4所示。模擬在1s時(shí)刻光照強(qiáng)度由1000 W/m2逐漸降低至800W/m² ,在1.3s時(shí)刻逐漸降低至500W/m² ,在1.5 s時(shí)刻再次降低至200 W/m²,而在1.7 s時(shí)刻逐漸上升到500 W/m²,在1.9 s時(shí)刻逐漸上升至1 000 W/m²?？梢钥闯?當(dāng)光照強(qiáng)度變小時(shí),通過(guò)MPPT獲得的 Split源逆變器參考輸入電流變小,通過(guò)模型預(yù)測(cè)控制器輸出當(dāng)前時(shí)刻最優(yōu)電壓矢量使其實(shí)際值緊緊跟隨參考值變化。

而隨著Split源逆變器輸入電流的減小,直流側(cè)電壓降低,直到在PI控制器作用下逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)也控制網(wǎng)側(cè)電流圍繞參考值變化而變化,說(shuō)明具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

4結(jié)論

本文研究了基于Split源逆變器的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)控制方法,該方法基于有限控制集模型預(yù)測(cè)控制算法,不需要脈寬調(diào)制,易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。仿真結(jié)果表明,該方法具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和可快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能。

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2024年15期第3篇