基于SpIit源逆變器的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)模型預測控制

0引言

近年來,諸多學者針對光伏并網(wǎng)發(fā)電能力提升開展了大量研究,split源逆變器由于具有低開關應力、高開關利用率等優(yōu)點受到了廣泛關注,在此基礎上很多文獻又具體研究了二極管籍位型、飛跨電容型、級聯(lián)多電平等split源逆變器拓撲結構^[1—3],并在如何提高增益方面進行了深入研究。

針對split源逆變器控制,文獻[4]提出了一種基于解耦調(diào)制技術的三相并網(wǎng)控制方案,文獻[5]提出了基于三相并網(wǎng)系統(tǒng)的有限控制集模型預測控制方法,該方法不需要非常復雜的解耦調(diào)制技術,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)模型預測控制方案,通過最大功率點跟蹤(MPPT)算法獲得split源逆變器參考輸入電流,并將其作為模型預測控制器的輸入量,通過滾動預算,獲得下一個采樣時刻的最優(yōu)輸出。同時,采用線性PI控制器對直流電壓進行調(diào)節(jié),以此獲得并網(wǎng)點電流參考值。

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Split 源逆變器可以實現(xiàn)升壓操作。Split源逆變器輸出為四種開關狀態(tài):1)當Sau=0,Sbu=0時,開關狀態(tài)定義為S0; 2)當Sau=1,Sbu=0時,開關狀態(tài)定義為S1; 3)當Sau=0, Sbu=1時,開關狀態(tài)定義為S2; 4)當Sau=1,Sbu=1時,開關狀態(tài)定義為S3 (Sau=0表示開關關閉,Sau=1表示開關打開,Sbu=0,1同理)。當至少一個上臂開關打開時,電感處于充電過程;當上臂開關均關閉時,電感處于放電過程,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為逆變器開關狀態(tài)。

2模型預測控制策略

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,有限控制集模型預測控制(FCS-MPC)算法的目標是同時控制網(wǎng)側電流i_g和Split源逆變器輸入電流i_L,網(wǎng)側參考電流值iLef由直流側電壓參考電壓V_inv^ref和實際電壓的差值通過PI控制器獲得,同時Split源逆變器輸入電流參考值i_L^ref為MPPT控制器輸出,本文最大功率點跟蹤采用擾動觀測算法實現(xiàn)。

在FCS-MPC算法中,通過價值函數(shù)表征跟蹤性能,函數(shù)值越小,說明跟蹤性能越好。而在一個離散采樣周期內(nèi),Split源逆變器只能輸出一種開關狀態(tài),使價值函數(shù)最小。

通過前向歐拉法將式(1)離散化,可得出K+1時刻下的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時刻的網(wǎng)側電流為:

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跟隨開關器件狀態(tài)變化,所以v_i(k)數(shù)值大小取決于k時刻的開關狀態(tài)。

因此,有限控制集模型預測控制器價值函數(shù)可表示為:

通過式(6)滾動演算,最終可得到k+1時刻下使價值函數(shù)?最小的最優(yōu)電壓矢量,從而使得網(wǎng)側電流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

為驗證所提出的基于split源逆變器的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)模型預測控制方法的有效性,進行了仿真試驗。光伏裝機容量設定為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光照強度下的穩(wěn)態(tài)運行結果如圖3所示,可以看出,并網(wǎng)點電壓、電流具有很好的正弦特征,且電壓、電流保持同相位,說明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時保持單位功率因數(shù)運行。從圖3(c)(d)運行結果可知,Split源逆變器輸入電流較為穩(wěn)定,直流側電壓呈現(xiàn)低階紋波特性,其波動頻率為電網(wǎng)頻率的2倍。

不同光照強度變化下的動態(tài)響應結果如圖4所示。模擬在1s時刻光照強度由1000 W/m2逐漸降低至800W/m² ,在1.3s時刻逐漸降低至500W/m² ,在1.5 s時刻再次降低至200 W/m²,而在1.7 s時刻逐漸上升到500 W/m²,在1.9 s時刻逐漸上升至1 000 W/m²?？梢钥闯?當光照強度變小時,通過MPPT獲得的 Split源逆變器參考輸入電流變小,通過模型預測控制器輸出當前時刻最優(yōu)電壓矢量使其實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,直流側電壓降低,直到在PI控制器作用下逐漸恢復至穩(wěn)定狀態(tài),同時也控制網(wǎng)側電流圍繞參考值變化而變化,說明具有良好的動態(tài)性能。

4結論

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測控制算法,不需要脈寬調(diào)制,易于設計和實現(xiàn),具有很好的工程應用價值。仿真結果表明,該方法具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和可快速響應的動態(tài)性能。

[參考文獻]

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2024年15期第3篇