单级式光伏发电系统MPPT的实现与稳定性研究

单级式光伏发电系统

第４２卷第３期２００８年３月

电力电子技术

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ，２００８

单级式光伏发电系统ＭＰＰＴ的实现与稳定性研究

刘

飞，段善旭，殷进军，周

彦

（华中科技大学，湖北武汉４３００７４）

摘要：对采用ＬＣＬ滤波器的三相光伏并网逆变器进行了理论分析，并建立了数学模型；提出了一种极点配置与重复

控制相结合的并网控制方案；同时采用改进型扰动观测法实现了ＭＰＰＴ功能。此外，针对最大功率跟踪算法的实现和并网控制策略的配合问题进行了稳定性分析，最后通过仿真与实验验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。

关键词：逆变器；滤波器／光伏并网中图分类号：ＴＭ４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０３－００２８－０３

ＴｈｅＭＰＰＴＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＳｔａｂｉｌｉｔｙＳｔｕｄｙ

ｏｆｔｈｅＳｉｎｇｌｅ－ｓｔａｇｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ

ＬＩＵＦｅｉ，ＤＵＡＮＳｈａｎ－ｘｕ，ＹＩＮＪｉｎ－ｊｕｎ，ＺＨＯＵＹａｎ

（ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎａｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈＬＣＬｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄａｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ

ｔｈｅＭＰＰＴｗａｓｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｄｔｈｅｐｏｌｅ－ａｓｓｉｇｎｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｇｅｔｈｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，

ｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｄＰ＆Ｏｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｅｇｏｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｕｃｈｔｈｅｏｒｙａｒｅｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．

ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｉｌｔｅｒ／ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＤＥＬＴＡＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｕｃａｔｉｏｎＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒＰｏｗｅｒ

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（Ｎｏ．ＤＲＥＫ２００５０１）

１引言

随着传统能源的日益枯竭，太阳能已成为极具发展潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一［１］。光伏发电系统可分为独立供电系统和并网系统两种，在此讨论单级式光伏并网发电系统，其最大优点就是效率高，只有一个能量变换环节，拓扑结构简单，无需储能环节。

单级式光伏并网发电系统采用电压型光伏并网逆变器实现了逆变功能；通过数字控制技术在并网逆变器交流侧实现了最大功率跟踪功能和单位功率因数并网运行，同时利用波形控制技术降低了并网电流波形的ＴＨＤ，减少了谐波对电网的污染，达到了高质量的并网发电以及高效率的要求。

在此，主要针对三相光伏并网发电系统的运行特点、系统结构、并网控制策略及最大功率跟踪的实现等性能要求进行了理论分析，针对最大功率跟踪算法的实现和并网控制策略的配合问题进行了稳定性分析，最后给出一种适合三相单级式光伏并网系统的控制方案，满足了太阳能光伏发电系统ＭＰＰＴ的实现和并网发电的要求。通过仿真和实验装置验

基金项目：台达环境与教育基金会《电力电子科教发展

计划》资助重点项目（ＤＲＥＫ２００５０１）

定稿日期：２００７－１０－０８作者简介：刘

飞（１９７７－），男，湖北汉川人，博士生，研究方向为三相光伏并网发电系统控制研究。

证了采用所提出的基于扰动观测法实现ＭＰＰＴ的三

相光伏并网系统控制方案的可行性。

２

２．１

并网逆变器的状态空间数学模型

主电路拓扑

图１示出三相光伏并网发电系统。并网逆变器包括输入直流母线滤波电容Ｃ１和６个ＩＧＢＴ开关管的三相全桥电路，以及由Ｌ１，Ｃ，Ｌ２组成的三阶滤波器。由于相对传统的单Ｌ及ＬＣ滤波器，ＬＣＬ滤波器对谐波有更好的衰减特性，因此采用ＬＣＬ结构的滤波网络可实现并网逆变器与电网的连接。

２．２基于ＬＣＬ滤波器三相并网逆变器建模

滤波器状态空间模型的具体形式与所选状态变量有关，为了建立采用ＬＣＬ滤波器的三相并网逆变器的状态空间数学模型，这里选择Ｌ１的电感电流ｉ１ａ，ｉ１ｂ，ｉ１ｃ，电容电压ｕＣａ，ｕＣｂ，ｕＣｃ及并网电流ｉ２ａ，ｉ２ｂ，ｉ２ｃ为状态变量，根据ＫＶＬ，可以列出ａ，ＫＣＬ定理，ｂ，ｃ三相的状态方程。

当定义Ｓａ＝１时，在图１中，ＶＴ４关断；ＶＴ１导通，

２８

单级式光伏发电系统

单级式光伏发电系统ＭＰＰＴ

的实现与稳定性研究

Ｓａ＝０时，ＶＴ４导通，ＶＴ１关断。同理可定义Ｓｂ，Ｓｃ。

对Ａ相有：

Ｌ２ｄｉ２ａ＝（ＵａＮ＋ＵＮＯ）－ｉ１ａＲ１－Ｌ１ｄｉ１ａ－ｕＣａ－ｕｓａ（１）

式中：Ｒ１为逆变器死区效应等效电阻与线路等效电阻之和。

当Ｓａ＝１时，ＵａＮ＝Ｕｄｃ（Ｕｄｃ为直流母线电压）

，而Ｓａ＝０时，ＵａＮ＝０，于是得到Ａ，Ｂ，Ｃ三相的方程式为：

!#Ｌ２ｄｉ#＝（ＵｄｃＳａ＋ＵＮＯ）－ｉ１ａＲ１－Ｌ１ｄｉ－ｕｓａ"Ｌ２ｄｉ

２ｂ＝（ＵｄｃＳｂ＋ＵＮＯ）－ｉ１ｂＲ１－Ｌ１ｄｉ１ｂ－ｕｓｂ#（２）#Ｌ２ｄｉ２ｃ$＝（ＵｄｃＳｃ＋ＵＮＯ）－ｉ１ｃＲ１－Ｌ１ｄｉ１ｃ－ｕｓｃ

对于三相无中线，即ｉ２ａ＋ｉ２ｂ＋ｉ２ｃ＝０，ｕＣａ＋ｕＣｂ＋ｕＣｃ＝０，

ｕｓａ＋ｕｓｂ＋ｕｓｃ＝０，

则有：ＵＮＯ＝－Ｕｄｃ（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）＋Ｒ１（ｉ１ａ＋ｉ１ｂ＋ｉ１ｃ）＋

Ｌ１ｄ（ｉ１ａ＋ｉ１ｂ＋ｉ１ｃ）＝－Ｕｄｃ（Ｓａ＋Ｓｂ＋Ｓｃ）（３）直流电压方程式为：Ｃ１ｄＵｄｃ＝ＩＰＶ－（Ｓａｉａ＋Ｓｂｉｂ＋Ｓｃｉｃ）（４）

由上述方程可见，控制变流器的开关状态，可使输入电流按给定的规律变化。显然该变流器可实现网侧电流正弦化及单位功率因数。

为了得到控制模型，忽略ＰＷＭ高次谐波，即只考虑开关函数的基波分量Ｓｌａ，Ｓｌｂ，Ｓｌｃ，同时也控制并网电流ｉ２ａ，ｉ２ｂ，ｉ２ｃ为正弦波，

则有：!

Ｓ１ａ＝ｍｓｉｎ（ωｔ－θ）#"

#Ｓ１ｂ＝ｍｓｉｎ（ωｔ－θ－２π

）（５）#$

#Ｓ１ｃ＝ｍｓｉｎ（ωｔ－θ＋２π

）!ｉ２ａ＝Ｉｍｓｉｎ（ωｔ＋φ）ｕｓａ＝Ｕｍ#!

ｓｉｎωｔ"

#ｉ２ｂ＝Ｉｍｓｉｎ（ωｔ＋φ－２π）#"#ｕｓｂ＝Ｕｍｓｉｎ（ωｔ－２，π

）（６）#$#ｉ２ｃ＝Ｉｍｓｉｎ（ωｔ＋φ＋２π）#$

#ｕｓｃ＝Ｕｍｓｉｎ（ω …… 此处隐藏：3477字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……