基于SpIit源逆变器的单相光伏发电系统模型预测控制

0引言

近年来,诸多学者针对光伏并网发电能力提升开展了大量研究,split源逆变器由于具有低开关应力、高开关利用率等优点受到了广泛关注,在此基础上很多文献又具体研究了二极管籍位型、飞跨电容型、级联多电平等split源逆变器拓扑结构^[1—3],并在如何提高增益方面进行了深入研究。

针对split源逆变器控制,文献[4]提出了一种基于解耦调制技术的三相并网控制方案,文献[5]提出了基于三相并网系统的有限控制集模型预测控制方法,该方法不需要非常复杂的解耦调制技术,也不需要锁相环(PLL)。本文提出了一种基于单相Split源逆变器的单相光伏并网系统模型预测控制方案,通过最大功率点跟踪(MPPT)算法获得split源逆变器参考输入电流,并将其作为模型预测控制器的输入量,通过滚动预算,获得下一个采样时刻的最优输出。同时,采用线性PI控制器对直流电压进行调节,以此获得并网点电流参考值。

1 SpIit源逆变器

单相Split源逆变器由单相电压源逆变器和电感L、直流电容c组成。由于电感的充放电特性,通过Split 源逆变器可以实现升压操作。Split源逆变器输出为四种开关状态:1)当Sau=0,Sbu=0时,开关状态定义为S0; 2)当Sau=1,Sbu=0时,开关状态定义为S1; 3)当Sau=0, Sbu=1时,开关状态定义为S2; 4)当Sau=1,Sbu=1时,开关状态定义为S3 (Sau=0表示开关关闭,Sau=1表示开关打开,Sbu=0,1同理)。当至少一个上臂开关打开时,电感处于充电过程;当上臂开关均关闭时,电感处于放电过程,因此只有在S0状态下,电感放电,如图1所示。

根据图1所示的充放电等效电路,Split源逆变器输入电流i_L可表示为:

式中:e为输入电压;L为储能电感;R_L为电感电阻;v_inv为电容两端电压;S为逆变器开关状态。

2模型预测控制策略

图2所示的控制方案旨在跟踪-定温度和光照辐射下的最大输出功率,有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)算法的目标是同时控制网侧电流i_g和Split源逆变器输入电流i_L,网侧参考电流值iLef由直流侧电压参考电压V_inv^ref和实际电压的差值通过PI控制器获得,同时Split源逆变器输入电流参考值i_L^ref为MPPT控制器输出,本文最大功率点跟踪采用扰动观测算法实现。

在FCS-MPC算法中,通过价值函数表征跟踪性能,函数值越小,说明跟踪性能越好。而在一个离散采样周期内,Split源逆变器只能输出一种开关状态,使价值函数最小。

通过前向欧拉法将式(1)离散化,可得出K+1时刻下的Split源逆变器输入电流为:

式中:Ts为采样周期;式(1)中的输入电压e即为光伏输出电压v_p;v_inv为电容两端电压。

Split源逆变器输出电压v_i可表示为:

式中:v_g、i_g分别为网侧电压、电流;R_f、L_f分别为滤波电阻、电感。

将式(3)离散化可得k+1时刻的网侧电流为:

其中,Split源逆变器在离散模式下的输出电压 v_i(k)为:

由于Sau、Sbu跟随开关器件状态变化,所以v_i(k)数值大小取决于k时刻的开关状态。

因此,有限控制集模型预测控制器价值函数可表示为:

通过式(6)滚动演算,最终可得到k+1时刻下使价值函数ƒ最小的最优电压矢量,从而使得网侧电流i_g 和Split源逆变器输入电流iL能够紧紧跟随其参考值变化。

3仿真试验

为验证所提出的基于split源逆变器的单相光伏发电系统模型预测控制方法的有效性,进行了仿真试验。光伏装机容量设定为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为光伏输出稳压电容。

系统在环境温度25℃和1 000 W/m²光照强度下的稳态运行结果如图3所示,可以看出,并网点电压、电流具有很好的正弦特征,且电压、电流保持同相位,说明系统稳态时保持单位功率因数运行。从图3(c)(d)运行结果可知,Split源逆变器输入电流较为稳定,直流侧电压呈现低阶纹波特性,其波动频率为电网频率的2倍。

不同光照强度变化下的动态响应结果如图4所示。模拟在1s时刻光照强度由1000 W/m2逐渐降低至800W/m² ,在1.3s时刻逐渐降低至500W/m² ,在1.5 s时刻再次降低至200 W/m²,而在1.7 s时刻逐渐上升到500 W/m²,在1.9 s时刻逐渐上升至1 000 W/m²。可以看出,当光照强度变小时,通过MPPT获得的 Split源逆变器参考输入电流变小,通过模型预测控制器输出当前时刻最优电压矢量使其实际值紧紧跟随参考值变化。

而随着Split源逆变器输入电流的减小,直流侧电压降低,直到在PI控制器作用下逐渐恢复至稳定状态,同时也控制网侧电流围绕参考值变化而变化,说明具有良好的动态性能。

4结论

本文研究了基于Split源逆变器的单相光伏发电系统控制方法,该方法基于有限控制集模型预测控制算法,不需要脉宽调制,易于设计和实现,具有很好的工程应用价值。仿真结果表明,该方法具有良好的稳态性能和可快速响应的动态性能。

[参考文献]

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[5]BAKEERA,DABOURSM,GOWAIDIA,etal.EnhancedfinitecontRolSet-modelpRedictivecontRolfoR thRee-phaSeSplit-SoURceinveRteRS [R].IStanbUl,TURkey:2022 57th InteRnational UniveRSitieS PoweREngineeRing ConfeRence(UPEC).

2024年15期第3篇