单相单级光伏并网电气系统与信息技术学报研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报4（2017）1单相单级式光伏并网系统奥萨马·M.艾哈迈德？阿拉法Mansour，Khaled S.萨库里·萨库里马哈茂德？阿蒂亚塞勒姆埃及电子研究所接收日期：2016年7月25日;接收日期：2016年8月1日;接受日期：2016年8月2日2016年10月11日在线发布摘要本文介绍了一种单相单级光伏并网发电系统。电网角检测允许在任何任意功率因数下运行该系统采用电导增量法保证最大功率点跟踪，能够无振荡地跟踪太阳辐射水平的变化PI电压控制器和无差拍电流控制器用于确保高质量的注入电流到电网。利用Matlab/Simulink对系统利用MicrolabBox DSP原型平台控制的实验装置实现了该系统并研究了其性能。在实施过程中充分考虑了包括启动顺序在内的系统平稳安全运行的预防措施。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：光伏系统;单相并网逆变器;最大功率跟踪;无差拍电流控制1. 介绍由于对环境和用不可再生能源发电的普遍关注，用替代能源发电的使用显著增加。这一事实鼓励技术和新研究的发展，提出解决方案，使新系统以安全可靠的方式连接到电网。单相光伏并网系统为小型光伏系统安装提供了合适的解决方案。许多出版物从不同的角度讨论了这个问题在Reis等人中介绍了光伏并网单相转换器的原型。（2015年）。 为了使光伏系统输出与交流电网同步，实现了PLL（锁相环），在电网中进行角度检测。提出了一种单级、单相无变压器、零泄漏电流的逆变器，用于Chamarthi的光伏并网*通讯作者。电子邮件地址：khaled@eri.sci.eg（K.S. Sakkoury）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.08.0042314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。2O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）1等人（2015年）。 为了确保低直流输入电压和零泄漏电流通过光伏阵列的寄生电容，建议逆变器的光伏阵列的负端子和电网中性点之间的公共接地。Afshari等人研究了带直流旁路的全桥逆变器的分析和仿真。（2015年）。据作者介绍，这种类型的逆变器不仅具有低漏电流和高效率，而且还能够向电网注入无功功率。Raghuwanshi和Gupta（2015）的作者提出了一个带有相关控制器的单相双级并网光伏系统的完整单相并网光伏系统的主要组成部分是光伏阵列、为了提高光伏系统的效率，采用了最大功率点跟踪（MPPT）算法。Tran（2015）提出了单相并网光伏系统的最大功率点跟踪器（MPPT）拓扑。最大功率跟踪器的设计使得电流参考直接从光伏电压和光伏电流计算，以确保系统的稳定性与简单的他们将他们的结果与其他方法如波纹相关控制方法进行了比较。Boonmee和Kumsuwan（2015）介绍了纹波相关控制技术最大功率点跟踪和基于旋转参考系的电流控制在单相电压源逆变器并网光伏系统中的应用参考文献的作者（Jahanbakhshi等人，2015）提出了一种用于单相PV并网逆变器的无差拍电流控制器。他们使用了一种基于系统离散时间模型的控制方法，以产生逆变器电压，从而良好地跟踪参考电流。单相光伏并网逆变器需要大容量电容来缓冲输入输出端之间的功率差，这成为提高系统效率和延长系统寿命的障碍。Liao等人（2014）和Xiao等人（2015）提出了解决单相并网光伏逆变器中现有直流链路双线频率电压纹波的方法。提出了一种具有有源去耦功能的逆变器拓扑，其不仅消除了直流链路中的两倍工频纹波功率，而且还接受去耦电容器两端的大电压纹波，以降低对去耦电容的要求（Liao等人， 2014年）。 而Xiao et al. （2015）提出了一种自适应滤波器，可以滤除双工频电压纹波。该滤波器被插入到直流链路电压反馈控制环路中。在电网频率变化的情况下，传统的重复控制无法产生高质量的馈电电流。 论文（Zhou等人， 2015）介绍了一种用于电网转换器的频率自适应重复控制策略，其采用分数延迟滤波器以适应电网频率的变化。为了提高转换器的输出电流并最小化总谐波失真THD，Salem和Atia（2015）提出并测试了具有改进预测电流的VSI。（2015）分析了两级逆变器拓扑，考虑了有功功率、直流链路电压、纹波和电容。该研究提出了一个全面的直流链路电压控制策略，以最大限度地减少直流电容，同时保持正常的系统运行。在参考文献Galádet al. （2015），作者比较了不同单相无变压器拓扑的参数和效率，并分析了功率损耗。可靠和受保护的太阳能逆变器对于有效的电网实施是必要的。Arya和Saini（2015）的作者根据标准提出了一种通过使用高速交流断路器的反孤岛保护方案Perpinias等人讨论了并网低压光伏符合故障穿越标准的能力。（2015年）。研究了单相光伏并网系统在故障条件下的行为。所提出的控制概念，使分布式光伏系统的贡献，在故障期间的电流比他们的标称值高得多，服务于FRTC的需求注入无功功率量。本文提出了一种单相单级光伏并网发电系统。该系统设计为在单位功率因数下平稳运行，以经济地利用全部逆变器容量，这要归功于无差拍电流控制概念。然而，在任何任意功率因数下的操作在由于可用太阳能功率的可能下降而导致的自由逆变器容量可用性的情况下是完全可能的。该系统采用电导增量法保证最大功率点跟踪，并能平滑跟踪太阳辐射的变化，无振荡。通过Matlab/Simulink数值仿真研究了系统结构和性能，并通过dSPACE提供的MicrolabBox DSP原型平台控制的实验装置对系统性能进行了全面测试本文的结构如下，第2节介绍了系统结构和控制原理，第3节介绍了增量电导最大功率点跟踪技术的控制算法， 预测电流控制技术。第4节介绍和比较系统的性能，使用数值O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）13模拟与相同条件下的实验结果。最后，第五部分提出了本研究的结论。2. 系统描述本文研究单相单级光伏并网发电系统。如图1a所示，该系统由双并联光伏阵列组成，每个光伏阵列由12个串联模块组成，模块特性见附录1。这种配置背后的想法是允许适用于单级配置的PV电压，并通过在一个或两个并联串之间切换来模拟日照水平的变化。阵列的直流端子通过接触器SW 1连接到单相IGBT逆变器，并跨接3300 µF直流电容器。图1b显示了用于本研究的实际设置的照片。如图 2时，控制器闭合接触器SW 1，从而将PV阵列连接到逆变器的直流链路，并开始对电容器充电。出于两个原因，控制器有意地将电网与逆变器的连接延迟预定义的时间段第一个是防止从电网对电容器充电（从而避免来自电网的AC浪涌充电电流第二是确保网格角度估计与真实网格角度的完全收敛电容器通过预充电电阻从PV阵列预充电，以将浪涌充电直流电流限制在可接受的限度内。在电容器达到由控制器监测的预定义电压电平之后，控制器通过闭合接触器C1来使预充电电阻器短路。对于单位功率因数运行，应准确检测电网角。控制器采用基于电网电压测量的专用算法，连续监测电网角。一旦电网角度检测稳定且C1闭合，逆变器通过闭合Fig. 1. 系统布局。4O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）1图二.系统控制流程。图三.单相并网电压型逆变器。当栅格角约为π/2时，接触器C2。选择π/2启动电网连接是为了限制注入电网的启动为了便于接触器（SW 1、C1和C2）的操作，使用一组继电器连接DSP数字控制输出。专用DSP控制器（dSPACE MicrolabBox）用于执行光伏系统的控制算法为了执行这些控制任务，需要进行一些测量直流链路电压控制环路需要PV端电压实现最大功率跟踪需要光伏端电压和电流。电网电压是电网角检测所必需的。它也需要与电网电流一起用于电网电流的控制。单相逆变器是由四个IGBT开关组成的全桥配置，如图3所示，额定值为800V和100 A逆变器通过接触器C2通过平滑电抗器（5 mH）连接到隔离Transformer（1：1比率）3. 控制算法控制算法包括接触器切换顺序控制、网角检测算法、最大功率点跟踪算法、直流母线电压控制和电网电流控制算法。O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）15DTLDTL3.1. 增量电导MPPT增量电导基于如下简单逻辑：Ppv=Vpv×Ipv（1）其中Ppv是从PV阵列提取的功率，Vpv是阵列的端电压，Ipv是从阵列汲取的电流在以下情况下，dPpvdVpv =0（2）将上述微分应用于（1）得到：dIpvdVpvIpv= −Vpv（三）当Eq.如果不满足等式（3），则对由不等式产生的误差信号进行积分以生成电容器电压的参考值（即，PV串电压），使误差信号最小化，并确保来自PV阵列的最大功率流3.2. 直流侧电压控制PI控制器接收电容器参考电压和实际电容器电压（通过低通滤波器滤波），以生成应当注入电网的电流参考的幅度（峰值），以保持电容器电压跟踪由MPPT块生成的参考值。电网电流参考的瞬时值简单地通过将参考电流幅度乘以电网角的正弦函数来获得。3.3. 栅角检测如图3所示，电网角度检测模块在确保单位功率因数运行和调整参考电网电流方面起着关键作用。本应用中使用的电网角度检测基于锁相环技术。3.4. 预测电流控制单相H桥电压源逆变器可以使用两种PWM开关策略进行控制，即双电平和三电平（Salem和Atia，2015）。 在双电平开关策略中，逆变器输出电压在正和负逆变器输入直流源之间切换，而在三电平开关策略中，逆变器输出电压在正（或负）逆变器输入直流源和零电压之间切换。本文提出的电流控制器用于计算逆变器输出电压，以迫使实际逆变器电流（i）跟随参考电流（iref）。iref和i之间的差是当前误差（ierr）。在三电平操作中，以下等式有效（Salem和Atia，2015）：di1=vdc−va（四）di2=0 −va（五）其中di1/dt和di2/dt分别是在逆变器开关的T接通和T关断时间段期间逆变器电流（i）的变化率，Vg是电网电压，并且Vdc是直流链路电压。为了在切换时间周期T期间补偿电流误差，可以使用以下等式：我误入歧途di1=dtTon第二+ dtT关闭（六）6O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）1对于恒定的开关频率，开关时间周期T为：T=Ton+Toff（7）从Eqs。（4）不在T（（L/T）ierr+va）VDC（八）然后，所需的调制信号可以如下获得：d=Ton=（（L/T）err+va）（九）PWMTVDC所获得的调制信号用于产生控制逆变器开关所需的PWM信号，并用于确定逆变器输出电压，逆变器输出电压由以下等式表示：LVinv=Vdc dPWM=Tierr+Va（10）基于等式在公式（10）中，直流链路电压对逆变器输出没有影响，其中调制信号dPWM抵消了直流链路电压的影响。因此，直流链路电压对输出电流的THD没有影响。输出电流的THD仅取决于电流参考信号，这是所提出的逆变器电流控制器对减轻直流链路双电网频率电压纹波的影响4. 仿真结果和实验验证4.1. 栅角检测为了说明电网角度检测功能的动态性能，使用一个开关在四个连续周期内启用电网输入，并在一个周期内禁用电网输入，如图所示。 四、 图图4a和图4b分别示出了仿真结果和实验观察。可以注意到，该算法需要一个周期的时间来收敛到真实的网格角。因此，在将逆变器连接到电网之前，系统启动时应允许类似的延迟电网角度检测还可以在需要此功能的情况下通过逆变器向电网提供无功功率4.2. 电流控制回路如图2和Eqs. 在（4）见图4。 栅极角度检测动态性能。=O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）17××图五、电流跟踪测试（上：从4.56 A步进到9.12 A，下：从9.12 A步进到4.56 A）。为了测试电流跟踪的质量，设置参考电流的外部电压回路被暂时断开，并且在4.56 A和9.12 A之间步进的2 Hz方形参考电流被强制作为电网参考电流。图图5a和图5b分别示出了该测试场景的模拟和实验结果。电流跟踪的良好质量以及仿真和实验结果的一致性是显而易见的。4.3. 电压控制回路如图所示。 2、电压控制回路是负责从MPPT模块发出电网电流参考峰值的外环，该电流参考峰值可以将电容器电压维持在期望值。采用PI控制器对直流侧电压进行调节。在此测试用例中，其目的是调整PI控制器参数，MPPT块馈送暂时中断。步进参考用于驱动电压控制环路，该环路在360 V和440 V之间交替。 图图6示出了模拟和实验结果，其中两个结果都显示出良好的跟踪和彼此的一般符合性。图7示出了阶跃变化时的电网电流跟踪。4.4. 最大功率点跟踪光伏装置的可用功率主要取决于日照水平以及环境温度等其他因素。在25° C和1000 W/m2日照水平下，全阵列输出功率应为212295 = 7.080 kW。为了便于系统的MPPT性能的快速测试，组成PV阵列的两个并联串中的一个被连接和断开近似相等的间隔若干次，以强制来自阵列的可用功率的突然变化（50%）（可以具有与日照的突然变化相同的效果，这更难以测量）。实现）。MPPT适当地响应于这些突然的变化，以在每种情况下获得最大可用功率，如图8所示。模拟时，日照水平设置为600 W/m28O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）1见图6。电容电压基准跟踪。上迹线：Vcref（ch1），实际Vc滤波（ch2），下迹线：栅极参考电流峰值。见图7。参考电压阶跃变化期间仿真中的电流环路性能。见图8。 MPPT性能。5. 结论介绍了一种单相单级并网光伏发电系统。虽然该系统被设计为在单位功率因数下平稳运行，以经济地利用全部逆变器容量，但它也可以在任何期望的功率因数下运行该系统采用电导增量法保证最大功率点跟踪，并能平滑跟踪太阳辐射的变化，无振荡。仿真和测试结果显示了很好的匹配。研究内容包括最大功率点跟踪技术、电压控制和电流控制。O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报4（2017）19附录A. 附录1光伏类型：SUNTEC-STP 270 S-24 Vb每个模块72个电池。模块系列Res（▲）= 0.32025系列模块= 12并行字符串= 2开路电压= 45.2 V短路电流=8.55 A MPP@1000 W/m2最大功率时的电压= 36.6 V最大功率时的电流= 8.07 A MPP时的最大模块功率= 295 W引用Afshari，E.，拉希米河，Farhangi，B.，Farhangi，S.，2015年。单相无TransformerFB-DCB在无功注入电压调制中的分析与改进In：2015IEEE Conference on Energy Conversion（CENCON），Malaysia，Oct，pp. 413-418Arya，J.，Saini，L.M.，2015年。可靠的单级单相混合式太阳能逆变器，具有防孤岛保护功能。在：信号处理，信息学，通信和能源系统（SPICES），2015年IEEE印度国际会议，2月，pp. 1比5。Boonmee，C.，Kumsuwan，Y.，2015年。单相逆变器光伏并网系统纹波相关控制MPPT的实现。在：第12届国际会议电气工程/电子，计算机，电子和信息技术（ECTI-CON），泰国，6月，页。1比6Chamarthi，P.，Rajeev，M.，Agarwal，V.，2015.一种新颖的单级零漏电流无变压器光伏并网逆变器。在：光伏专家会议（PVSC），2015年IEEE第42届，新奥尔良，洛杉矶，第100页。 1 http://dx.doi.org/10.1109/PVSC.2015.7356292。Galád，M.，Mazgút，R.，Spánik，P.，2015年。无变压器逆变器拓扑的参数和效率比较。In：2015电气驱动器和电力电子会议（EDPE），斯洛伐克，9月，第100页。六十五比六十八Hu，Y.，杜，Y.，肖文，Finney，S.，Cao，W.，2015. 降低单相光伏并网逆变器电容和总谐波失真的直流母线电压控制策略。IETPowerElectron8（8），1386-1393.Jahanbakhshi，M.H.，Asaei，B.，Farhangi，B.，2015年。 一种用于单相光伏并网逆变器的新型无差拍控制器。在：2015年第23届伊朗电气工程会议（ICEE），伊朗，5月，pp。1613-1617年。廖，J，苏，J.，张湖，2014. 一种单相无Transformer变频器，具有主动去耦功能。2014年IEEE第五届分布式发电系统电力电子国际研讨会（PEDG），爱尔兰，6月，pp。1比6Perpinias，I.I.，Papanikolaou，N.P.，Tatakis，E.C.，2015年。 将故障穿越能力应用于单相并网光伏系统。在：电力电子和应用（EPE'15 ECCE-欧洲），2015年第17届欧洲会议瑞士，9月，pp。1-10。Raghuwanshi，S.S.，Gupta，K.，2015. 基于MATLAB/Simulink的单相光伏并网系统建模在：计算机，通信和控制（IC4），2015年印度国际会议，9月，pp。1比5。Reis，G.L.，Mata，P.C.，席尔瓦，W. W.，席尔瓦，R.M.，Martins，A.L.，弗吉尼亚州费尔南德斯Silveira，E.P.，2015年。光伏并网系统单相变流器样机的设计与实现。在：2015年IEEE第13届巴西电力电子会议和第1届南方电力电子会议（COBEP/SPEC），巴西利亚，pp. 1比6塞勒姆，M.，Atia，Y.，2015. 提高单相两级并网光伏发电系统电能质量和运行效率的控制方案。J.Electr. 系统通知。技术，314-327Tran，P.，2015年。光伏并网系统最大功率点跟踪的计算电流控制方法。In：Powerwer and EnergyConferenceatIllinois（PECI），2015IEEE，USA，Feb，pp. 1比5。Xiao，F. ，东湖，加-地廖，X. ，2015 年。 一种提高并网电流的单相并网光伏逆变器。在：第27届中国控制与决策会议（2015CCDC），中国，5月，pp。4083-4088Zhou，K.，（1991年），杨，Y.，Blaabjerg，F.，2015年。单相光伏并网逆变器的频率自适应重复控制In：2015 IEEE EnergyConversionCongressandExposition（ECCE），Canada，Sept，pp. 1689-1693年。