基于多模式运行和低电压穿越技术的光伏发电系统外文翻译资料

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基于多模式运行和低电压穿越技术的光伏发电系统

摘要：本文提出了一种带有低电压穿越技术的可多模式运行的三相光伏发电系统。利用多模式运行的控制策略，即使在低电压穿越时，光伏阵列发出的有功功率也可以持续地通过交错并联boost升压变流器输出，而在电网故障清除后最大功率点跟踪可以迅速达到目标值。此外，带有交错并联运行功能的多通道升压变流器可以在降低输入电流纹波的同时提高电源效率。另一方面，三相变流器的电流限幅控制能够在额定电流幅值而电压骤降情况下提供最大无功功率，并且，输出需要的无功比额定电流以满足不同的低电压穿越规范。作者组建和调试了一台满足本文提出的带有LVRT的多模式运行性能的三相5-kVA原型光伏变流器。

关键词：交错并联变流器；低电压穿越；最大功率点跟踪；光伏发电系统；三相变流器

1.引言

为了减少化石能源的使用量和二氧化碳的排放，可再生能源例如光伏发电系统发展迅速。然而，像辐射和温度这样无法预料的环境因素会对光伏阵列的输出特性产生负面的影响。因此，发展一种高效的最大功率点跟踪变流器提高光伏发电系统的效率是十分必要的。

通常，boost变流器是作为光伏发电系统MPPT变流器的前端，因为它的输入电流是线性的。此外，交错并联方法能提高输入额定功率并且降低电流纹波，已经被采用于脉宽调制变流器。对于一个m相交错并联的boost变流器来说，每一相的电流只有1/m的总电流。换句话说，电源开关的电流应力和功率损耗可以减少。此外，总的电流纹波可以显著减少由于不同两相电流之间的抵消作用。这可以增加最大功率跟踪的精度以及光伏发电系统总的输出功率。最后，交错并联的boost变流器被用于大功率系统以实现大功率转换效率和更好的最大功率跟踪。

近年来，许多国家已经公布了他们自己的电网规范，规定了分布式电源需要满足低电压穿越的能力，以期增强发电系统的质量和可靠性。不同国家电网关于电网电压骤降和故障运行时间之间的关系的规范如图1所示。上述曲线表明分布式发电需要并网运行。此外，由德国体现出来的E.ON规范，更需要分布式电源提供所需无功/额定电流比例为90%到50%的电网电压下降，如图2所示。一旦电网电压低于50%，分布式电源只输出100%的无功电流。

图1 不同国家电网规定的LVRT时间

通常，在许多文献中采用由一台boost变流器，一台三相逆变器组成的光伏发电系统以达到LVRT的能力。文献22提供了一种在不平衡电压骤降时LVRT的序列分离和检测方法。而文献23和24提出的三相逆变器的电流限幅控制能够使输出的最大无功功率在允许的最大电流幅值之内。为了防止由严重的电压故障引起的电路损坏，文献25提出了一种直流母线电压调节方式来控制逆变器。文献26-28提出了不同的控制方案以期光伏逆变器在不平衡电网电压骤降情况下有更好的电能质量表现。尽管这些控制策略对于逆变器来说是有效的，但是没有考虑到前级boost变流器的运行，同时MPPT和逆变器之间的潮流平衡也没有被说明。文献23，24，29提出了多模式运行的光伏发电系统的概念。基于可产生的光伏发电功率和逆变器实际允许的最大输出有功功率，光伏发电系统可以运行在MPPT模式，恒功率模式以及短路电流模式。然而，多模式运行详细的描述和相应的数学方式并没有给出。

图2 E.ON LVRT规定的无功电流百分比

因此，本文提出一种为光伏发电系统设计的带有多模式运行的交错并联boost变流器。而具体的各个运行模式的数学方程也将在文中直接给出。交错并联的boost变流器在轻微的电压降低时可以保持MPPT运行。一旦光伏阵列的输出功率超过了三相逆变器的允许功率，CPC模式将被以一种功率损耗补偿策略的方式触发。如果一个严重电网故障发生了，SCC模式将会被触发，同时派生增量占空比的平滑过度概念将被运用避免电路损坏。同时，本文对三相逆变器的CALC策略也做了发展，描述了光伏发电系统的运行准则和数学方程。最后，一个5-kva模型的实验结果可以验证本文苏提出的控制理论的可行性。

2.操作准则

如图3所示为一个光伏发电系统，它由一台带有mppt功能交错并联的boost变流器和一台带有CALC控制策略的三相逆变器构成。三通道交错并联boost变流器的输入电流纹波很小，可以实现更高的MPPT精度和光伏发电系统总的输出功率。在低光照的情况下，其中的一个或者两个通道可以关闭以避免在低光伏功率输出时不必要的功率损失。在电压骤降时，三相逆变器可以提供最大可提供的无功功率通过采用CALC策略。

根据E.ON规范，在电网骤降时三相逆变器允许最大的输出有功功率，为（1）

其中代表三相逆变器的额定复功率，为额定电流，为三相逆变器所需的无功电流。

在LVRT运行过程中，当由（1）计算出来的逆变器的允许有功功率小于它当前的输出功率，则MPPT功能需要被舍弃，同时交错并联boost变流器的输入功率需要减小以维持潮流平衡避免电路损坏。为了在LVRT过程中达到功率潮流管理，在电网故障清除后缩短MPPT恢复时间，提出一种多模式运行的策略。基于可产生的光伏发电功率和逆变器实际允许的最大输出有功功率，光伏发电系统可以运行在MPPT模式，恒功率模式以及短路电流模式。

图3 多模式运行的光伏发电系统电路原理图

1. MPPT 模式

如果交流侧电源电压在90%到50%的正常值之间但是当前三相逆变器输出的有功功率小于由（1）计算出的允许最大值，则交错并联boost变流器可以保持它的MPPT运行从光伏阵列中获取最大功率。因此，boost变流器输入参考电流保持不变等于它最大功率跟踪值在正常运行情况下。即

。（2）

另一方面，扰动观察（Pamp;O）被应用来实现MPPT特性。尽管对于Pamp;O算法来说光伏电压干扰是最常见的途径，而本文用光伏电流干扰代替了电压干扰。因为boost变流器是交错并联运行的，因此，每个通道输入电流必须能够被独立的控制来实现电流分享的能力。

与此同时，三相逆变器的有功功率指令等于MPPT运行时的。

，（3）

因此，无功功率指令能够提供最大无功功率，因为在电压骤降时CALC策略可以被确定为

。（4）

值得一提的是MPPT模式下直流母线电压可以被三相逆变器控制。如果直流母线电压由于光伏阵列的功率的增大而上升，则三相逆变器的输出参考电流也需要增加一个电流调整值。相反的，如果直流母线电压由于光伏阵列的功率的增大而降低，则三相逆变的输出参考电流同样的也需要减少以维持功率潮流平衡。否则，参考电流保持不变。通过应用锁相环技术，输出电流指令会在交流电源周期开始时一旦直流母线电压高于或低于电压范围。然而，一个大的值会导致直流母线电压和输出电流频繁改变，对电能质量带来负面影响。一个小的值可以减轻交流电流异动，但是直流母线电压响应规范将会减小。为了输入电流异动最小化，本文提出了最佳交流线电流规范策略来获得最佳值。总的来说，MPPT模式下直流母线规范方程为

若，则（5）

若，则（6）

否则，（7）

其中为第n个周期的参考电流，为上一个周期的值，为第n个周期的变化值。

1. CPC模式

一旦三相逆变器的当前输出功率高于允许的最大值，MPPT功能需要被舍弃。在这种情况下，最简单的方法是关闭boost变流器的开关，禁止从光伏阵列上获取能量。然而，为了持续地向电网传递太阳能同时缩短电网故障切除后的MPPT响应时间，提出CPC模式。在这种方式下，直流母线电压由前级boost变流器控制，同时输入参考电流指令减小以维持功率潮流平衡。因此，boost变流器的参考电流可以表示为

（8）

其中和分别代表输入电流和输入功率。为三相逆变器最大允许功率。

然而，由于变流器有不可预计的功率损失，直流总线电压不能在CPC模式下维持稳定如果直接用（8）式。因此，本文提出一种改良的电流指令用于boost变流器以适应稳定的直流总线电压。如果直流总线电压高于预设的电压上限，则输入参考电流需要减小。相反的，如果直流总线电压低于预设的电压下限，则输入参考电流需要增加。除此以外，参考电流保持不变。最后，改进后的boost变流器的参考电流可表示为

若，则（9）

若，则（10）

否则（11）

CPC模式下的电流控制图如图4所示。

图4 CPC模式的电流控制图

另一方面，三相逆变器的有功功率指令需被限制到它允许的最大值，即

（12）

最后，无功功率指令可以由式（13）计算

。（13）

C. SCC模式

一旦发生了严重的电压骤降，交流电源电压低于正常值的50%，根据E.ON规范，光伏逆变器需注入100%无功电流。换句话说，光伏发电系统需切断从光伏阵列上获取能量而仅输出无功功率。图5通过光伏阵列的I-V曲线特性来说明SCC模式。在这种情况下，最简单的方法是断开boost变流器的开关，动作点就在B点，开路电压点。

图5 光伏阵列I-V特性曲线

为了在电网故障清除后增加MPPT的速度，提出了SCC模式。交错并联boost变流器的主开关充分闭合以提取短路电流从而使光伏阵列运行于A点。通过SCC模式，当故障清除时，boost变流器将从A点而不再是B点开始提供MPPT功能。如图5所示，和之间的电流差远小于B点和之间的电流差。换句话说，SCC模式能够快速实现MPP在相同的电流扰动下。在此模式下，boost变流器的输入参考电流指令等于短路电流，即

。（14）

值得一提的是短路电流是被光伏阵列限制的，而整个LVRT并网时间通常不超过1.5s，所以变流器不会被SCC模式损坏。

由于在SCC模式下逆变器必须只输出无功电流，三相逆变器的有功功率指令等于0，而无功功率指令等于逆变器的额定视在功率，即

（15）

。（16）

值得一提的是，在SCC模式的开始，boost变流器的主开关必须充分闭合。然而，储存于输入电容和光伏阵列中的能量会转移到输入电感中，即

（17）

其中和分别为输入电容和输入电感；为最大功率点电压，为浪涌电流的极值，它会受输入电容和光伏功率影响。浪涌电流可由（18）式计算

。（18）

为了避免电流超调现象，防止电路损坏，平滑过渡的概念被应用在SCC模式开始时。占空比需逐渐增加防止超调，但更长的周期会导致直流总线过压。因此，平滑过度周期必须很好的调试。

首先，平滑过度时期电感储能可以表示为

（19）

其中为总的放电时间，为boost变流器输出功率，可表示为

。（20）

表示boost变流器输出电流，可用输入电流和关断时间占空比代替。

假设是线性增加的直到短路值，在放电周期内是线性减小到0的。从而，和可以表示为

（21）

（22）

其中代表平滑过度开始时的关断占空比。需要提出的是，一旦减到0，开关完全庇护，变流器运行于SCC模式。

结合式（19）-（22），总的所需的放电周期可以表示为

。（23）

为了实现平滑过度，占空比必须以在一个所需数量的开关周期n内逐渐增加。可由式（24）计算

（24）

其中占空比增量可表示为

。（25）

结合式（24）和（25），总的所需的开关周期n可以由式（26）计算

（26）

N与，，以及开关周期有关。

最终，在SCC模式开始时的平滑过度时期的占空比增量可以表示为

。（27）

另一方面，在SCC模式中，boost变流器的主开关完全闭合，光伏电源不再传输能量到直流母线电容器上。同时，三相逆变器只需要输出无功功率到电网以满足LVRT的要求。然而，三相逆变器的功率损耗是不可避免的由于需要输出无功电流。最后，储存在直流母线电容器上的能量和直流母线电压将会减少，因为SCC模式的能量损耗。因此，直流母线电容器需要足够大以防低压保护被出发。确定直流母线电容大小的方法如下所示。

首先，在SCC模式下由直流母线电容器提供的能量，即可以表示为

（28）

其中，为直流母线电容，为直流母线电压，表示低压保护临界值；为三相逆变器在额定电流输出时的功率损耗，为LVRT周期。

由（28）式变换可得，直流母线电容为

（29）

多模式运行的控制流程图如图6所示。开始时，实时计算boost变流器的输入功率和三相逆变器的输出功率。一旦检测到电网故障，电压等级在正常值的90%到50%之间，则逆变器需根据LVRT规则输出一定比例的无功/额定电流。如果逆变器允许的最大有功功率高于当前光伏功率，boost变流器保持MPPT模式运行。否则，如果测量功率高于，则输入功率需根据（8）式减小，boost变流器工作在CPC模式以保持潮流平衡。一旦电网电压低于50%正常值，SCC模式将被触发，光伏发电系统输出100%的无功电流。

3.实验结果

如表1所示为一个带有三通道并联boost变流器和三相逆变器的5-kVA光伏发电系统的各项规格。该系统用于验证本文所提出的多模式运行策略的可行性。此系统采用TMS320F28035数字信号处理器作为控制器。本文提出的多模式运行和CALC策略通过DSP实现。根据式（29），取=200W，=16个交流电源周期，=400V,=350V，此模型的直流母线电容大小为2800uF。

图6 多模式运行的控制流程图

Agilent E4360太阳能阵列模拟器的规格如表2所示，此模

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