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太阳能光伏逆变器控制策略

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  摘 要:光伏逆变器是光伏发电系统中非常重要的一环。因此,本文阐述了光伏逆变器的发展历史和现状,对目前市场上出现的光伏逆变器进行了分类整理,并介绍了相关的控制策略。
  关键词:光伏逆变器;光伏发电系统;控制策略
  中图分类号:TM464 文献标识码:A 文章编号:1003-5168(2019)04-0149-03
  The Analysis on Solar PV Inverter Control Strategy
  HE Li LUO Danyu DONG Xuefeng LI Xiang
  (Zhengzhou Electric Power College,Zhengzhou Henan 450000)
  Abstract: Photovoltaic inverter is a very important part of the photovoltaic power generation system. This article briefly introduced the development history and current status of photovoltaic inverters, classified and sorted the photovoltaic inverters currently appearing on the market, and introduced the control strategies for them.
  Keywords: photovoltaic inverter;photovoltaic power generation system;control strategy
  20世纪70年代发生的石油危机、环境污染和能源短缺等,使人们逐渐意识到单一依靠常规的化石类能源不能满足人类对能源的需求。因此,各国纷纷开始发展清洁能源发电,其中太阳能发电凭借其独有的优势得到了迅猛发展。同时,为了更好地发展太阳能光伏发电[1,2],各国还纷纷提出了一系列对应的扶持政策。我国地域辽阔,太阳能资源丰富,发展太阳能发电具有明显优势[3,4]。目前,我国仍是传统的能源结构组成,主要由煤炭、石油等化石能源占主导地位,太阳能发电具有广阔的发展空间。近几年,我国政府对光伏发电越来越重视,逐步实施和完善了上网电价补贴政策,进一步促进了太阳能光伏发电技术的迅猛发展,使我国在太阳能光伏发电产业中更具竞争力。作为光伏发电系统核心的转换器件,逆变器必将成为我国光伏发电市场的必争之地和重点研究对象,其研发、应用和推广具有极其深远的意义。
  1 光伏逆变器现阶段的发展
  在过去10余年的研究和发展中,全球范围内光伏产业的产值平均增幅为57.1%,已跃居成为世界上增长迅速的产业之一。作为光伏发电系统中最核心的逆变技术,这些年也取得了快速发展。逆变控制技术的主要原理是把信号从直流变换和输出到交流,并结合相关的调制技术。20世纪60年代,德国A.Schonung首次提出应用脉宽调制技术。此后,正弦波PWM(SPWM)控制技术由英国的S.R.Bowes博士提出,这一创新是对脉宽调制技术乃至电力电子技术的革命性飞跃,也成为逆变器技术变革的理论基础。新能源发电技术的不断发展,使得国内外许多研究机构广泛深入开展光伏逆变控制器的研究,更是针对相关课题开展了广泛深入的研究。
  早在20世纪80年代,我国已开始在逆变器控制及其制造技术方面开展研究开发。在光伏市场需求方面,随着国家对光伏发电的大力调制和出台相关补贴政策,截至2014年底,我国光伏发电装机容量超过4GW。随着国家大力推进“金太阳示范工程”以及大量的光伏并网补贴及惠民政策的落地实施,环境和政策都将激励着我国逆变器技术的研究工作蓬勃发展。目前,我国在光伏发电领域的规模和关键技术已处于世界前列。
  2 太阳能光伏逆变器控制策略
  2.1 太阳能光伏逆变器的分类
  逆变器在太阳能光伏发电系统[5]中的主要作用是将太阳能电池产生的直流电转换为交流电,同时改变原来的电压、幅值、频率以及波形等,从而为各种交流用电装置、设备提供电能,且可满足并网发电等。目前,市场上逆变器有多种类型,因此在选择机种和容量时需特别注意。尤其在太阳能发电系统中,逆变器效率的高低对太阳能电池容量和蓄电池的容量大小具有决定性影响。对目前市场上常用的逆变器进行分类,结果如表1所示。
  2.2 逆变器控制策略
  目前,多数逆变器采用的控制方法[6]可根据控制原理分为两类:①采用经典控制策略的逆变器;②采用现代控制策略的逆变器。
  2.2.1 经典控制策略。①电压均值反馈控制。该控制策略主要的控制方式是給定一个目标电压均值,通过反馈采样设备给出的电压均值的采样值,用采样值和目标值做差,进而得到一个误差值,再以此误差值为基础建立新的反馈系统进行PI调节,从而得到可控的输出。作为一个恒值调节系统,电压均值反馈控制最大的优点是无净差输出,最大的缺点是系统响应速度慢。②电压单闭环瞬时值反馈控制。该控制主要是通过把电压瞬时值作为给定目标值,进而将反馈采样设备给出的电压瞬时值建立反馈,且针对二者误差进行PI调节,从而得到可控输出。作为一个随动调节系统,它的控制策略的积分环节有一定的相位滞后,系统必然会存在净差,所以此控制策略的稳态误差不好,但是系统响应十分迅速。③基于电压均值的电压单闭环瞬时值控制方法。若采用电压瞬时值单闭环控制系统,稳态误差不好,但电压均值反馈恰好可以弥补这个缺点,所以可以在电压瞬时值单闭环控制系统的PI调节基础上,通过增设一个均值电压反馈控制环节,以大大降低原系统的稳态误差。④电压、电流相结合的双闭环瞬时控制。电压单闭环控制系统与直流电机的转速单闭环控制相似,在抵抗负载扰动方面误差较大,只有先把负载扰动对系统输出的电压、转速等物理量的影响输出后,控制器才能做出反应,因此设计时可在电压外环基础上增设一个电流内环进行补偿,当负载受到扰动信号时,电流内环可以快速、及时地抑制负载波动的影响,使得电压外环调节可以大大提高抗扰性,改善控制性能。   2.2.2 现代控制策略。①基于多变量的状态反馈控制。采用该策略可以任意配置系统的极点,从而改善系统的动态特性。但是,该控制策略在最初建立系统状态变量模型时,负载实际的动态特性难以预估,因而实际控制方案仅能假定空载或假定负载。针对该缺点,可在控制系统中加入负载电流前馈补偿环节,预先对系统进行鲁棒分析,以大大改善系统的动态品质,使得系统具有更好的稳态性能和动态性能。②无差拍控制。该控制策略是将给定的正弦波参考波形等间隔划分成若干周期,利用预测算法计算每个采样周期的起始值,进而在采样周期结束时计算出负载应输出的值。这样通过合理计算采样周期的起始值,将使得系统输出的波形与参考的波形完全重合,从而不产生任何相位、幅值偏差。③滑模变结构控制。该控制策略实质上是一种非线性控制方法,利用的是某种不连续的开关控制策略,从而强迫系统的状态变量沿着某一设计好的滑模面运动。该控制策略的优点是其对系统参数变化和外部扰动均不敏感,具有较强的鲁棒性,但其很难确定一个理想的滑膜面,且对开关频率要求较高。④模糊控制。该控制策略属于智能控制,与传统的控制方案相比,是控制理论发展的高级阶段。不依赖于系统的数学模型,是模糊控制的最大优点。对于具有高度非线性、不确定性对象问题的系统,通常可以采用该控制策略。⑤重复控制。内膜控制原理是重复控制策略的基本思想。控制策略可对指令和扰动信号假设一个内膜进行控制,从而达到输出无净差控制,但这种控制方案动态响应不好,需要较大的内存。
  3 结论
  太阳能光伏发电作为新兴能源,在近几年发展迅猛。逆变器作为太阳能光伏发电的控制核心,是光伏发电系统经济、可靠、安全、优质运行的关键因素,对于整个光伏发电系统的能量转换效率、输出电能质量的优劣等具有决定意义。因此,本文对现今的逆变器进行分类整理,简单介绍了光伏逆变器的控制策略,以期为光伏逆变器的研究开发奠定一定的基础。
  参考文献:
  [1]马宁.太阳能光伏发电概述及发展前景[J].智能建筑电气技术,2011(2):25-28.
  [2]李文婷,刘宏,陈慧玲.国内外太阳能光伏发电发展综述[J].青海電力,2004(4):3-6.
  [3]史冬云,刘劲松,白晓威.光伏发电技术现状、存在问题及对策[J].吉林电力,2011(7):39-41.
  [4]吕贝,邱河梅,张宇.太阳能光伏发电产业现状及发展[J].华电技术,2010(1):73-76.
  [5]张立文,张聚伟,田葳,等.太阳能光伏发电技术及其应用[J].应用能源技术,2010(3):4-8.
  [6]熊远生.太阳能光伏发电系统的控制问题研究[D].杭州:浙江工业大学,2009.
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