一种具有MPPT功能的光伏逆变器下垂控制方法_秦建衡.pdf

2023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计收稿日期：2022-08-19基金项目：国家自然科学基金青年项目(52207205)作者简介：秦建衡(1998)，男，湖南省人，硕士研究生，主要研究方向为光伏逆变器分散控制。通信作者：罗朝旭，E-mail:一种具有MPPT功能的光伏逆变器下垂控制方法秦建衡1，罗朝旭1，刘洋2(1湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007；2.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 450016)摘要：单相光伏并网系统中各单元之间普遍需要通信互联，降低了系统的可靠性且不易于扩展，在离网模式下，MPPT算法容易导致过压和过充现象。针对上述问题提出一种能实现MPPT功能的单相光伏逆变器下垂控制方法，该方法对传统下垂控制方程重新构造，将光伏电池阵列的P-V特性曲线导数dppv/dvpv引入到下垂控制中，通过控制逆变器的输出功率直接调整光伏电池阵列的输出电压，从而实现最大功率点跟踪。所提方法无需复杂的MPPT控制算法，保留了下垂控制的无互联通信和“即插即用”等优点，在离网模式且负荷容量不超过系统带载能力的条件下，可实现功率均分。最后仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。关键词：光伏并网逆变器；下垂控制；最大功率点跟踪中图分类号：TM 615文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)03-0398-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.03.029Droop control method for PV inverters with MPPT abilityQIN Jianheng1,LUO Zhaoxu1,LIU Yang2(1.College of Electrical&Information Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou Hunan 412007,China;2.Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Limited company,Zhengzhou Henan 450016,China)Abstract:Communication is generally required between units in single-phase photovoltaic grid connectedsystem,which reduces the reliability of the system and is not easy to expand.Otherwise,in the off-grid mode,the MPPT algorithm is prone to overvoltage and overcharge.To overcome the above problems,a droop controlmethod of single-phase photovoltaic inverter that could realize MPPT function directly was proposed.Theproposed method introduced the derivative(dppv/dvpv)of P-V characteristic curve of photovoltaic cell arrayinto traditional droop control equation,then the output voltage of the photovoltaic cell array was directlyadjusted by controlling the output power of the inverter to achieve maximum power point tracking.Thisproposed method didn t need the complex MPPT control algorithm,and retained the advantages of traditionaldroop control such as no interconnection communication and plug and play.It was noted that,in the off-grid mode,power sharing between inverters could be achieved if the load capacity did not exceed the loadcapacity of the system.Finally,the simulation results verify the correctness and effectiveness of the proposedmethod.Key words:PV inverter;droop control;MPPT在“双碳”背景下，光伏、风能等清洁能源发电备受关注，因这类能源规模相对较小、分散范围广、数量较多等特点，被称为分布式电源(DG)。为应对DG种类多、较分散的特点，将DG、负荷、储能装置、变流器等设备整合为一体的微电网应运而生1-2。微电网主要的控制结构可分为：主从控制、分层控制和对等控制。其中主从控制策略依赖于通信系统，需要控制器之间传输较快的数据，通信系统的波特率较高，降低了光伏系统的可靠性3-4。分层控制通常分为三层：管理层、微电网控制层和本地控制层。管理层负责整个微电网的能量调度、微电网控制层通过通信链路传输必要信息协调本地单元间的运行、本地控制层通常使用下垂控制法，无需通信链路，提高系统的可靠性。但分层控制增加了建设成本、不利于扩展5。对等控制中各单元之间具有相同的地位，遵循这一原则的控制方法可分为分布式控制和下垂控制。文献6提出了一种分布式控制策略，各单元之间仅需依靠通讯总线传输运行过程中稳态或变化缓慢的信号，从而实现与主从控制策略相同的控制性能，但此策略仍需借助一个辅助控制器向各单元下发电网频率以及电网电压过零点，并未做到完全分布式控制。下垂控制是利用变换器输出的有功、无功与电压频率、电压幅值的内在联系实现均分的控制策略7，其具有良好的动态响应能力和无互联通讯的优点8-10，但该策略在光伏系统中主要应用于孤岛模式11。目前大多数光伏控制器的目标是依靠MPPT算法从太阳能中获得最大功率12-13，由于 MPPT 算法始终控制光伏阵列输出最大功率，在孤岛模式时，当光伏出力过剩或负载过低3982023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计时，可能会引起过压和过充的问题14，所以在孤岛模式中需扩大储能系统的容量(energy storage system，ESS)或减少光伏出力来维持直流母线电压的稳定。但扩大储能系统的容量也增加了系统的投资和维护成本，因此，合理协调微网内的功率平衡是有必要的。文献15根据系统中储能单元的荷电状态(SOC)，采取不同的工作模式来平抑微网内的功率波动，此方法依赖于中压控制器，不利于光伏单元的扩展。文献16提出一种分层协调控制策略，当独立直流微电网中所需储能系统充电功率超过其最大允许功率时，光伏系统由 MPPT模式切换为下垂模式来控制母线电压稳定，但只适用于孤岛模式。文献17-18提出了一种光伏和储能系统的自主控制策略，当光伏输出功率大于负载消耗和储能充电功率时，检测直流母线电压并将其作为控制变量，以禁用 MPPT 算法并调节光伏发电，但文献17-18所提控制策略均是针对两级式结构的光伏变换器，并不能直接应用于单级式结构的光伏电源，且两级式结构相比单级式降低了系统的发电效率。针对上述问题，本文提出一种单相f-dppv/dvpv下垂控制方法，将光伏电池阵列P-V特性曲线的导数dppv/dvpv引入到下垂控制中。由于光伏阵列输出的功率和电压之间遵循P-U特性曲线的关系，所以通过控制逆变器的输出功率，直接调整光伏电池阵列的输出电压，实现最大功率点跟踪；而在离网模式且负荷容量不超过系统带载能力的条件下，可根据负载需求自适应调节光伏出力。所提的下垂控制方法使得光伏逆变器无需 MPPT算法，保留了传统下垂控制的无互联通信和“即插即用”等优点，可运行于并网和离网两种模式。最后基于MATLAB/Simulink搭建的模型，验证了本文所提方法的有效性。1 光伏电池阵列的输出特性一种典型的光伏阵列(商业光伏电池板 1Soltech-1STH-215-P)在不同辐照度和温度的P-V特性曲线如图1所示，其在标准测试条件下(辐照度为 1 000 W/m2，环境温度为 25)的数学模型如式(1)所示：ipv=NpIsc1-exp(vpvNsaVt-VocaVt)(1)式中：ipv、vpv为光伏阵列输出电流和电压；Np、Ns为光伏阵列所含电池的串并联数量；Isc、Voc为短路电流和开路电压；a为等效二极管的常数；Vt=NkT/q为光伏组件的热电压，其中k为玻尔兹曼常数，q为电荷量，T为光伏阵列的温度。2 所提f-dppv/dvpv下垂控制策略2.1 dppv/dvpv的控制原理由图 1 可知，不同温度和光照强度下的 P-V 特性曲线总是存在最大功率点，以最大功率点(dppv/dvpv=0)为顶点的两侧存在唯一单调性。在最大功率点左侧时(dppv/dvpv0)，负载增加，直流电容电压vpv将会降低，则光伏单元发电量将会减少，从而导致直流母线电压崩溃；在最大功率点右侧时(dppv/dvpv0)，负载增加，直流电容电压vpv将会降低，光伏单元输出的功率将会增加，所以在最大功率点右侧时(dppv/dvpv0，由式(9)可知，此时输出参考频率f将会降低，逆变器的输出功率减少，直流侧电容储存能量增加，光伏电池阵列输出电压逐渐回升，其运行点向右侧移动。当光伏阵列的运行在 vpv2处，dppv/dvpv0，由式(9)可知，此时输出参考频率 f 将会增大，逆变器的输出功率增加，直流侧电容储存能量减少，光伏阵列输出电压逐渐降低，其运行点向左侧移动，以此循环往复并最终稳定在最大功率点 dppv/dvpv=0。由式(9)可知，各逆变器的频率保持同步且等于电网频率，即 fi=fj=f*(i、j 为并联结构中的任意两台逆变器)，系统最终进入稳态 Ppv=PmaxPac。|dppv/dvpv|值越大，对功率的调节作用越强。(2)离网模式。由上述 2.1 部分可知，应尽量使得光伏组件运行在最大功率点右侧(dppv/dvpv0)，系统的负荷承载能力更强，当开关S断开，离网模式的调节过程如图4(b)、(c)所示。在多数情况下负荷不处于满载，所以各光伏单元将不会运行在最大功率点处，dppv/dvpv0。假设某一时刻两个光伏单元分别稳定在vpv1处、vpv2处，其P-U曲线斜率相等，dppv1/dvpv1=dppv2/dvpv20，由式(8)可知，各逆变器的频率 fi不等于额定频率 f*，但仍然保持同步，即f1=f2f*；假设某一时刻切断部分负荷，则两个单元在经过动态平衡后分别稳定在新的工作点 vpv1处、vpv2 处，其中 dppv1/dvpv1=dppv2/dvpv20，频率 f1=f2f*；在上述情况中，若光伏阵列所受环境近似相同，则P-V输出曲线也近似相同，由式(9)可知，两者输出功率将近似相等 Pac1Pac2，实现了功率均分。该方法也适用于 n台光伏逆变器并联结构，每台逆变器的控制结构与上述方法相同。3 仿真验证3.1 系统及光伏电池参数为验证本文所提方法的有效性，在MATLAB/Simulink平台搭建如图 3所示的两台光伏单元并联模型，仿真条件参照江苏某大型并网光伏电站的实际工况条件。在该示例工程中，有功控制试验期间天气状况良好，在光伏电站日发电时间内，平均温度为13.5，太阳辐照度在412796 W/m2之间变 化，所 以 本 文 的 并 网 和 离 网 仿 真 条 件 设 定 温 度 恒 为13.5，辐照度在 412796 W/m2区间内变化。在并网模式中，设定光照强度作为扰动信号，分析所提方法的动态响应能力。在离网模式中，设定光照强度和负荷容量作为扰动信号，探究所提方法的自适应功率调节效果和功率均分效果，并网与离网模式的系统参数见表1。图3系统拓扑结构及下垂控制框图图4f-dppv/dvpv下垂控制的调节过程表 1 系统参数 参数 数值 额定电压幅值 U*/V 311 额定频率 f*/Hz 50 滤波电感 Lf/mH 3 滤波电容 Cf/F 40 直流侧电容 CDC/F 2 000 有功下垂系数 m 2105 无功下垂系数 n 5103 4002023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计仿真所使用的单个光伏电池是根据商业光伏电池板1Soltech-1STH-215-P建模的，其在标准测试条件下(辐照度为1 000 W/m2，环境温度为25 )的参数见表2。在并网与离网模式中两个单元的光伏阵列均由 11个光伏电池串联组成，光伏阵列在环境温度为 13.5，光照强度分别在 796、604 和 412 W/m2时的最大功率分别为 1 880、1 434和977 W，如图5所示。3.2 并网运行并网时开关 S闭合，电网电压有效值为 220 V，整个仿真过程设置为1 s，设定两个单元的光照强度在t=00.4 s恒定为796 W/m2；在 t=0.40.5 s时分别从 796 W/m2缓慢降至 604和412 W/m2；在t=0.51 s，各单元的光照强度保持不变。图6为整个扰动过程中光伏单元的光照强度、有功功率和频率的变化情况。从图6(b)的仿真结果来看，在光照强度发生扰动时，所提控制方法具有很好的最大功率跟踪效果，光伏组件分别在796、604和412 W/m2辐照度的最大功率与图5所示的最大功率数据吻合，稳态波动在0.5%以内。由于本文方法是直接控制逆变器输出电压的频率，所以图 6(c)展示了本文方法在稳定频率的优越性，稳态波动在0.03 Hz以内。3.3 离网运行离网时开关 S断开，初始负载P=3 200 W，整个仿真过程设置为 1.2 s，两个单元的光照强度变化如图 7(a)所示。光照强度初始值分别设定为796和 604 W/m2，设定负荷容量在 t=0.4 s时突然骤减为 P=2 400 W，在 t=0.80.9 s 时，光伏单元 2的光照强度从604 W/m2缓慢升至796 W/m2。从图7(b)中可以得出在 t=0.4 s之前，两个光伏单元输出功率P1、P2分别为1 850和1 400 W，与图5的最大功率点数据吻合，且两个光伏单元输出有功之和接近负荷容量 3 200 W(考虑到线路损耗等因素)；在t=0.4 s时负载骤减为2 400 W，所提控制方法有效地控制了两个单元的光伏出力，稳态后P1、P2分别为 1 450 和 950 W，接近改变后的负载容量 2 400W；在t=0.9 s后，两个单元所受外界条件一致，实现了功率均分，P1P21 200 W。所以本文所提方法在不超过光伏单元带载能力的条件下，可有效根据负载需求调节功率输出，并可实现功率均分。最后，基于上述仿真结果，将本文所提方法与参考文献19-22中所示的各类 MPPT方法从多个指标进行了比较，对比结果如表 3 所示，其中本文方法为：f-dppv/dvpv改进下垂法，文献19-22中所提方法分别为：CV+IC法、混合粒子群优化算法(hybrid particle swarm optimization algorithm,HPSO)、改进变步长扰动观察法(improved variable step perturbation表 2 光伏电池参数 参数 数值 最大功率 Pmax/W 213.15 开路电压 Voc/V 36.3 短路电流 Isc/A 7.84 最大功率点电压 Vmp/V 29 最大功率点电流 Imp/A 7.35 图5光伏阵列在三种不同光照强度下的有功功率图6并网时光伏系统的运行特性图7离网时光伏系统的运行特性4012023.3Vol.47No.3研 究 与 设 计observation method,IVSPOM)、神 经 网 络 改 进 扰 动 观 察 法(neural network improved perturbation observation method,NNIPOM)。4 结论本文提出了一种单相光伏逆变器的改进下垂控制方法，该方法将光伏电池阵列的 P-V特性曲线导数 dppv/dvpv引入到下垂控制方程中，使得光伏逆变器在并网运行时能直接实现MPPT 功能，切入离网运行后可实现逆变器之间功率均分。针对并/离网两种运行模式，详细分析了所提方法的控制原理，并通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提方法在并网和离网两种工况模式下的正确性和有效性。最后与其它MPPT方法做了性能指标对比，本文所提方法具有MPPT效率高，无需互联通信且具有并离网模式无缝切换和母线电压和频率支撑功能的优点。参考文献：1郭慧，汪飞，顾永文，等.基于电压分层控制的直流微电网及其储能扩容单元功率协调控制策略J.电工技术学报，2022，37(12)：3117-3131.2KIRAKOSYAN A,EL-SAADANY E F,MOURSI M S E,et al.Communication-freecurrentsharingcontrolstrategyforDCmicrogrids and its application for AC/DC hybrid microgridsJ.IEEE Transactions on Power Systems,2020,35(1):140-151.3ZHAO T,ZHANG X,MAO W,et al.An optimized third harmoniccompensationstrategyforsingle-phasecascadedH-bridgephotovoltaic inverterJ.IEEE Trans Industrial Electronics,2018,65(11):8635-8645.4HU Y H,ZHANG X,MAO W,et al.An optimized third harmonicinjection method for reducing DC-link voltage fluctuation andalleviating power imbalance of three-phase cascaded H-bridgephotovoltaicinverterJ.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2020,67(4):2488-2498.5胡荣辉，祁寿贤，张怡雪，等.光储混合直流微电网非线性分层控制策略J.山东电力技术，2022，49(6)：17-24，66.6徐君，张兴，赵涛，等.单相级联H桥光伏并网逆变器的分布式控制策略J.电力电子技术，2019，53(9)：83-85.7白小丹，苗虹，曾成碧，等.适用于低压微网中逆变器无功均分的改进下垂控制策略J.高电压技术，2020，46(4)：1310-1318.8冯夏云，汪飞，李玉菲，等.下垂控制逆变器输出阻抗外特性建模及参数敏感性分析J.中国电机工程学报,2020,40(21):7012-7022.9孙旻,陈波,曾伟,等.基于配电网馈线首端电压追踪的分布式光伏变斜率下垂控制策略J.电力自动化设备，2020，40(3)：107-113.10王植，俞子聪，张泉，等.光伏参与直流微电网调压控制策略J.高电压技术，2020，46(11)：3762-3770.11姜恩宇，赵吉康，米阳，等.基于模糊自适应虚拟阻抗的微电网无功功率均分控制策略J.南方电网技术，2019，13(5)：37-43.12魏立明，李凯凯.基于改进扰动观察法的光伏 MPPT 控制策略J.电源技术，2022，46(7)：811-814.13迟耀丹，陈兵，徐红伟，等.改进粒子群算法在光伏 MPPT中的应用J.电源技术，2022，46(4)：441-444.14姜茂林，张继勇.基于微电网直流母线电压的正弦扰动 MPPT法J.电子测试，2022，36(7)：113-115.15 吕杰超.基于储能系统SOC的孤岛式直流微电网控制算法研究D.济南：山东大学，2021.16米阳，吴彦伟，符杨，等.独立光储直流微电网分层协调控制J.电力系统保护与控制，2017，45(8)：37-45.17 MAHMOOD H,MICHAELSON D,JIANG J.Strategies forindependent deployment and autonomous control of PV andbattery units in islanded microgridsJ.IEEE Journal of Emergingand 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