改进的并网光伏发电系统的电流调节控制方法

工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113完整文章一种改进的基于电流调节的并网光伏发电系统MasteryTaleb，Noureddine Mansour，Khaled Zehar巴林大学工程学院Box 32038，Isa Town，巴林阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年5月31日收到2018年9月8日修订2018年9月9日接受在线发售2018年保留字：并网光伏系统逆变器电流调节滞环控制器最大功率跟踪器Matlab Simulink仿真A B S T R A C T研究了一种可再生能源光伏发电机（PVG）与电网的并网问题。互联使用传统的功率逆变器连接直流PVG与交流电网侧。互连的新之处在于提出了一种改进的控制策略/技术来控制逆变器半导体开关的开关操作。通过采用滞后控制器来增强调节由功率逆变器提供的电流。所提出的互连避免了安装DC/DC电压控制器和滤波器的需要，这些在常规互连设置中是相当常见的。所提出的电流调节提供了优越的特征，例如：防止或几乎防止谐波渗透到电网中，而不需要安装在类似互连设置中常见的附加电力滤波器，避免了在功率逆变器的DC侧具有可控DC电压的要求，控制与电网互连点处的功率因数水平，以及在逆变器与电网互连之前放松逆变器输出电压与电网电压之间的同步约束计算机仿真证明了所提出的控制器的有效性，并取得了令人满意的结果。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍随着电力电子技术的进步和光伏组件成本的持续降低，太阳能光伏系统的发电量迅速增长。专家预计，太阳能光伏发电系统将在未来 的 全 球 电 力 生 产 中 发 挥 重 要 作 用 ， 特 别 是 在 中 东 和 北 非（MENA）地区等具有巨大太阳能潜力的国家[1]。直到20世纪90年代中期，大多数太阳能光伏系统都是独立的离网应用。然后，随着能源需求的增加，各国推出的支持和激励计划，分布式和大规模光伏并网技术在全球范围内获得了更多的关注。这些系统的优点是它们直接连接到电网并且不需要蓄电池。避免蓄电池降低了可再生能源装置的总资本成本。通讯作者。电子邮件地址：mtaleb@uob.edu.bh（M. Taleb）。由Karabuk大学负责进行同行审查图1为并网光伏系统的典型布局示意图。如图所示，PV系统通过逆变器连接到电网。逆变器的主要任务是收集大部分能量，并将来自太阳能电池阵列的直流电转换为交流电，应符合电网要求。并网光伏发电系统的缺点是使用逆变器作为接口，这导致了许多关于电网安全性、稳定性和效率的问题。这些问题包括电压和频率稳定性、由于使用不同的脉宽调制（PWM）技术而增加的谐波、功率流控制、孤岛效应等。[2，3]详细综述了并网光伏电站对电网的影响。为了提高光伏发电的效率，已经进行了一些研究工作来解决上述问题。研究工作集中在提高光伏板效率或电力电子接口或两者兼而有之。在电力电子领域，考虑两个方面来提高效率。在第一方面，发表了几篇论文，讨论了最大功率点跟踪（MPPT）算法的发展，以最大限度地提高光伏系统的输出功率[4，5]。在第二方面，PWM逆变器和滤波器的使用提高了注入电网的能量的质量[6，7]。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.09.0042215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch1114米Taleb等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113Fig. 1. 典型的并网光伏系统。见参考文件[8]，在提出并网光伏系统的情况下，已经考虑了上述两个方面采用最大功率点跟踪技术计算逆变器电压与电网电压的相位角这对应于光伏发电机的最大功率点参考文献[9]提出了采用电压型控制和PWM功率型控制方法控制PWM逆变器系统。在主要作者然而，大多数先前的研究得出的结论是，仍然有未解决的问题，需要解决更好的光伏发电质量，潮流控制，和并网光伏系统的稳定性。在本文中，光伏发电机（PVG）也是通过一个桥式逆变器连接到电源逆变器是传统的H桥逆变器。这一贡献的新之处在于H桥逆变器的半导体开关由磁滞控制器的输出而不是由PWM电流控制器的输出来选通。使用滞后是因为它的简单性。而且它允许更快的模拟，减少时间和计算资源[11滞环电流控制器的职责是迫使逆变器在其交流侧提供正弦电流，并且它应该接近于某个预设/参考正弦电流。后者是一种尝试，如果可能的话，保证从光伏发电机（PVG）提取最大功率在实现这样的滞后电流控制器时，目标是几个期望的特征：防止谐波渗透到电网中，而不需要安装通常在类似的互连设置中发现的附加电力滤波器，避免在功率逆变器的DC侧具有受控DC电压的要求，控制与电网互连的点处的功率因数水平，如果可能的话，提取由PVG源生成的最大功率，以及当逆变器经受与电网的直接互连时，放松使逆变器输出电压与电网电压同步的约束。本论文的组织如下：第2节描述了所研究的系统及其主要功能块，第3给出了所研究系统的数值结果，图二. 研究系统：（a）单线图;（b）详细电路。GGM. Taleb等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113 - 1119 1115在Matlab Simulink环境下进行了仿真，第四讨论并总结了系统的性能。文末提供了与论文相关的参考文献列表2. 拟议系统说明图2示出了所提出的系统的一般方案。图2（a）示出了期望的功率流。图2（b）示出了系统的四个主要部件：（1）代表电网或50 Hz主电源的AC电压源。(2)连接到通常称为公共耦合点（PCC）的点的恒定功率AC负载。(3)与平滑电抗（即Transformer）串联的H桥逆变器。(4)代表PVG源的DC电压源。如上所述，使用滞后控制器来控制逆变器。接下来的小节描述了PVG模型和滞后控制器块的工作，如图所示。 2（b）.2.1. 光伏发电机（PVG）模型光伏发电机（PVG）是适当地串联和并联连接以产生一定量的电压和一定电流的电力的太阳能电池阵列。电压和电流大小取决于PVG外部端子上连接的负载。PVG模型在起源上与太阳能电池模型没有区别。关于后者的详细解释在许多相关的物理学或微电子学教科书中有介绍[14参考文献[18]还提供了PVG阵列的良好模型在这项工作中使用的PVG模型，是从参考。[19]第10段。该模型被称为AkbabaIg¼Voc-Vg=ABV2CVg1A、B和C是参数/系数，其值取决于当前日照或辐照水平。Voc是开路电压，Vg是PV板端子两端的电压，Ig是当外部负载连接在其端子两端时由PVG源输送的电流。当然，Voc值还取决于当前的日照或辐照水平。A、B、C和Voc参数的符号和电平将在本文后面的表1中提供在三种不同的日照水平下，本研究所用光伏板的典型Ig-Vg特性如图所示。3.第三章。PVG源输送的功率可表示为：Pg<$Vg Ig<$VgVoc-Vg=ABV2CVg2Eq.的图形表示。图3（b）中示出了（2）。如图 3、对于每一级日照，一个最大功率点图三. 光伏发电机（PVG）特性：（a）Ig见图4。 功率H桥逆变器。是由PVG源在某些（Ig，Vg）点产生的在这项研究中，我们还将研究滞后控制器的性能，试图跟踪这些最大功率点，并产生最大的，妈妈的PVG源功率。2.2. h桥逆变器如图4所示，桥式逆变器由四个适当连接在一起的功率MOSFET或绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成，以形成单相H桥。开关G1、G2、G3、G4以互补的方式工作即表1模拟中使用的系统数据。电网电压RMS电压240V频率50 Hz相位角变量Transformer逆变器平滑电感匝数比240 V/100 V泄漏电感Lp = Ls = 1 mH Ll = 20 mHAC负载500 W光伏发电机（PVG）日照水平（W/m2）Voc（V）A（X）B（1/AV）C（1/A）最大功率（W）100017435.7144.987 * 10-40.2716648800172.344.1912.922 * 10-40.2896484600170.158.1741.223 * 10-40.3510370磁滞控制器带0.05安培1116米Taleb等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113也就是说，当开关G1和G4处于工作状态时，开关G2和G3处于关闭状态，反之亦然。图2（b）中所示的电感表示Transformer漏抗和附加滤波电感的总和。2.3. 滞后控制器占空比所提出的滞后控制器在图5（a）的框图中描绘它可以被认为是由两个连续的阶段。第一级用于找到参考电流（Iref），该参考电流应当是具有等于电网频率的频率并且与主AC电源电流同相的时变正弦波形选择参考电流幅值（Im）的方式应使其尝试从PVG源提取最佳功率（最大功率点）值。然而，日照水平是间歇性的，因此最大功率点改变值，并且因此参考电流的幅度应当被更新和自调整。因此，需要时变这应该通过查找表的制表在线完成，该查找表在其输入处具有日照水平的水平，并且在其输出处具有期望的参考电流幅度（Im）。通过假设假设日照水平并以从PVG发电机提取最佳功率值为目标运行模拟，在以下约束条件下，提前将期望的参考电流幅值（Im）制成表格在交流侧电流逆变器的正弦波特性的不恶化（I inv）如图所示。 四、图5（a）的第一阶段还检测主AC电源电流的相位角。这是为了确保逆变器的输出AC电流和主AC电源电流同相。因此，期望在主电源因此，在这些研究中也针对受控功率基于先前的电流幅值（Im）、相位角（f）和主电源频率或角速度（x）设置，参考电流（Iref）可以通过下式解析表示：我参考了我是中国人/中国人期望并期望由逆变器输送基频的接近正弦的电流波形（Iinv）桥式逆变器交流侧输出电流的质量改善也是这些研究的目标之一如图5（a）所示，电流Iinv被连续地测量，然后作为输入被馈送到ADC块。图5（a）的第二级是滞后控制器块。到块的输入信号是测量的逆变器AC电流（Iinv）和参考电流（Iref）之间的电流差。如果该差值超过某个允许的固定滞后带，则控制器改变其输出状态（即，从高电平到低电平或从低电平到高电平）。如果这种差异是图五. 滞后控制器：（a）框图;（b）预期性能。M. Taleb等人 /工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113-11191117在限制允许的滞后极限的情况下，控制器输出保持在其前电流状态。AC逆变器电流（Iinv）和参考电流（Iref）的预期时变波形由图5（b）中所描绘的曲线描绘。输出的滞后控制器构成门信号，需要提供给图1的逆变器的开关。 四、3. 系统性能评价建 议 的 互 连 系 统 的 性 能 （ 图 。 2 ） 已 经 通 过 在 MATLABSimulink中进行的广泛的仿真研究进行了研究和评估。所研究系统的开发模型的SIMULINK文件可以通过联系本文的通讯作者获得。本研究中使用的系统数据见表1。滞后带的选择是在所产生的逆变器AC电流（Iinv）中的纹波水平与逆变器开关的开关频率之间的权衡。在该仿真研究中，磁滞带简单地设置为0.05值，这是为了最小化或限制所产生的逆变器AC电流（Iinv）中的纹波水平。将滞环带增加到0.05以上的值将导致更多的纹波，代价是桥式逆变器开关的开关频率较低图4中。将滞后带减小到0.05值以下将导致更少的纹波，但代价是图1的桥式逆变器开关的高开关频率。 四、在这项研究中，三个不同的日照水平（1000 W/m2，800 W/m2，和600 W/m2）在温度25 °C。在上述条件下通过模拟研究的性能为：– 连续测量实际交流负载功耗、电网实际供电功率（交流主电源）和逆变器实际功率在其AC侧提供的功率（即，由PVG源输送的功率– 连续测量从电网（交流主电源）提取的无功功率，并监测电网母线侧的功率因数。– 将从光伏电压发生器提取的实际功率与可以从其提取的最大功率进行比较。– 连续记录参考时变电流波形（Iref）和逆变器AC电流（Iinv）。– 连续计算从主AC电源侧汲取的电流总谐波失真（THD）因子、逆变器在其AC侧产生的电流以及通过AC负载的电流图图6（a）描述了三个假想日照水平的实际功率。如在任何日照水平下可以看到的，逆变器AC侧的实际功率补充从电网汲取的实际功率，以给出AC所表2研究系统的实际功率性能。在25°C温度下的绝缘水平负载最大PVG功率图六、 测量功率：（a）有功功率;（b）交流主电源母线的无功功率和功率因数。1000 W/m2800瓦/平方米600W/m2交流负载功率P（W）500500500逆变器交流电源PSol（W）295.5685232.8918176.2920对交流负载的59.11%46.58%百分之三十五点二五电网功率Pac（W）204.5214267.2120323.7820对交流负载的40.89%53.42%64.75%1118米Taleb等人/工程科学与技术，国际期刊21（2018）1113图7.第一次会议。 交流逆变器电流波形：（a）在1000 W/m2的日照水平;（b）在800 W/m2的日照水平;（c）在600 W/m2的日照水平。即可.逆变器在这种交流负载功率中的贡献是明显的，在较高的日照水平下占较高的百分比水平图6（b）的y轴的左侧可视化了从AC主电源提取的无功功率的量，而图6（b）的右侧y轴可视化了从AC主电源提取的无功功率的量。 6（b）表示交流电源侧的功率因数水平。在稳态条件下，从交流电网汲取的无功功率几乎为零，并且获得单位功率因数在假想的日照水平下。表2总结了有功功率和有功功率的稳态值。对于所有假设的日照水平，AC负载保持恒定在500 W值（电阻负载）。该模拟是灵活的可变AC负载的情况下。表2表示PVG源和电网对所需AC负载功率的贡献百分比。表2的最后一行示出了从PVG源提取的功率的百分比，并且将其与可以从PVG源汲取的最大可能功率进行比较。不幸的是，PVG源的最大功率尚未完全提取，任何光照水平。已经观察到，在需要从PVG源汲取更多功率的情况下，逆变器AC电流侧的波形的质量开始劣化并且偏离期望的正弦波形形状。图7绘制了在三个假想日照水平下的AC逆变器电流和期望的正弦参考电流的波形。对于所有三个日射水平，观察到两个电流之间的非常紧密的跟进。因此，滞环控制器充分地完成了跟踪任务。但是，由于控制器的滞环特性，逆变器瞬时交流电流始终在上下限之间振荡。在这方面，已经评估了图2的所有预期AC电流的总谐波失真因子表3显示了交流逆变器电流和交流主电源电流的总谐波失真水平（%）。检查记录的THD水平，它们低于允许的标准限值[20]。可以得出结论，AC电流几乎是无谐波波形，并且因此将不存在关于注入到互连AC电网中的更高次谐波电流的担忧。本研究缺乏任何最大功率点（MPPT）算法/方案的实现，因为观察到的事实是从PVG源提取更多功率导致表3交流电流总谐波失真系数（THD）。权力日照水平温度25°C1000 W/m2800瓦/平方米600 W/m2交流逆变电流1.1246（%）1.1650（%）1.5941（%）交流主电源1.7232（%）0.9854（%）0.7630（%）逆变器的交流侧电流的正弦波特性恶化。4. 结论研究了一种通过著名的H桥逆变器将PVG源与AC电网互连的替代策略。所提出的替代方案与传统的互连不同，提出了一个负责控制H桥半导体开关操作的滞后控制器。所提出的互连避免了使用直流电压控制和电源滤波器经常发现在传统的互连方案。本互连中的滞后控制器用于调节逆变器AC电流并将其注入AC主电源侧。这种调节提供了以下特征：逆变器AC电流是正弦的，并且无论PVG源的磁阻水平如何都被迫流入网络的AC侧，逆变器AC电流与AC主电源同步，因此在AC电源侧预期可控功率因数，并且从PVG源提取大量有功功率，并且对整个系统功率流做出贡献大量的仿真结果验证了上述特点。然而，所提出的互连被发现受到以下事实的限制，即并非可以提取PVG源的所有可能的最大功率从PVG源提取更多的功率导致AC逆变器电流波形的劣化和失真未来的工作是增强所提出的电流控制策略，以便从太阳能光伏电池板提取最大功率，并确保安全，定性和可靠的AC功率注入电网。这可以通过使用推理自适应磁滞电流控制，其中所需的参考电流是使用PVG源的I引用[1] 2015年世界能源展望可在www.iea.org网站上查阅。[2] X. 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