文摘
DC / AC光伏能量转换的交流需求的应用程序;电力供应的机器和能量转移到分销网络是一个典型的案例。这项工作是意识到在这种背景下,提出了一种新的结构光伏能源电网的转移。这个结构是基于推挽式变换器连接到三相DC / AC逆变器。特别是,一个伟大的兴趣主要集中在能量转移的稳定的操作条件。这项研究还发展限制和光伏能量转移的可行性提出的网格结构。向电网注入光伏能源最大有功功率和无功功率为零也被认为是动态的政权。支持模拟进行验证该控制策略。
1。介绍
可再生能源是取之不尽的清洁和互补的额外优势。支持和鼓励他们在交流电网的集成。在这些资源中,光伏太阳能提供了一个非常有前途的替代(1- - - - - -5]。它正在广泛发展,支持政府和其他组织的意识严重打电话来保护环境。
相对很长一段时间,光伏太阳能电源只用于特定的负载,如卫星和/或农村地区位于远离传统电力输电线路(6- - - - - -9]。如今,从现代社会的环境问题,经济的角度来看,和技术的进步,对太阳能的兴趣和相关转化系统已经成为美好的未来解决方案。此外,光伏太阳能潜力最大的以不同的方式使用。由于其模块化的特性,它可以用来在乡下和城市,在小型和大型的地方(10- - - - - -12]。
基本上,有两种类型的太阳能应用程序:隔离系统和电网连接系统(13,14]。对于第一种情况,我们发现了大量的应用程序:隔离和独立房屋或设备,农村发电厂、电信网络、抽水,照明系统,电脑或手机,照相机,计算器,等等。当然,光伏太阳能可以提供更重要的贡献在许多国家电气化水平接近饱和(15- - - - - -17]。此外,欧洲和非洲的许多国家生产光伏能源的巨大机会很高的数量。这就是为什么第二例处理连接太阳能光伏能源电网显示了一个高生长速率在过去几十年。目前,欧洲各国的政府,日本和美国,其中,为可再生能源促进经济激励来应对气候变化(18- - - - - -20.]。在这个意义上,有特殊的信贷融资光伏设施连接到网格和报酬每千瓦时卖给电力公司。
生成光伏太阳能发电,光伏发电是必要的;即一组太阳能板串联或并联连接生产所需的直流。然后,产生交流电(在额定电压220 V,额定频率50 Hz,例如),需要一个DC / AC逆变器。因此,光伏逆变器安装在光伏发电机和电网连接。能量转移从直流到交流提交安全操作等各种约束条件下,经济效率和环境效益(21,22]。
作为特定的一部分grid-related操作要求,光伏逆变器还必须操作输出电压和频率范围内满足容忍栅极电压波的谐波失真。从一个信号质量的观点,考虑在一个逆变器主要技术问题实际上是功率因数和谐波失真。逆变器还必须容许电日晒水平之间的网络和光伏安装(23- - - - - -26]。另一方面,全球网格连接光伏系统的效率在很大程度上取决于逆变器的效率,反过来取决于电路拓扑和控制方案。一般来说,这种控制必须确保各种有功功率操作点至少可能无功功率(27,28]。
这项研究发现在本文组织如下。部分2处理研究能量传递结构。它给出了一个通用视图和一个简化的描述主要部件的结构。部分3详细介绍了使用太阳能电池的数学模型形成了光伏发电机。这个模型是相对一个增强的一个因为它包含内部串联和并联电阻,所描述的是一个独特的非线性方程迭代数值过程来解决。第一部分的部分4定义了光伏发电机连接到一个简单的数学模型描述电网母线电路。然后,它介绍了稳态政权并确定有用的约束,确保存在的现实的能量转移的解决方案。系统解决提出和评论。第二节的一部分4描述了控制结构来解决在动态机制。网格的动态模型是详细过程对主动和被动的权力参考价值了。它还介绍了如何将纠正在电压的参考价值。最后,部分5礼物和评论获得动态响应信号。结果的接受程度及其精度进行了讨论。
2。表示建议的结构
研究了结构如图1它由以下组成:(我)表示光伏发电机的电压和电流,分别以通常的方式和 。因此,它的输出功率 (2)直流/直流电压推挽变换器与一个固定的比率 。它假定提供足够光滑,恒压与输入电压成正比这样 (3)DC / AC三相逆变器被认为与一个大电感足够光滑当前提供的高压直流/直流逆变器的直流侧(iv)表示电网的三相电压源(分销网络)
这里被认为是工作的一些假设。当然,我们的目标是促进研究。另一方面,我们记住,最终目标是集中控制结构的可行性和不研究详细的模型组件。因此,我们假设两个电力逆变器无损和替代当前的信号是非常接近正弦波形的框架内,这样他们被第一次谐波。这个假设可以通过插入验证滤波电路。最后,我们考虑到网格的输入阻抗很低,卵形的不可接受的电压降。在这种背景下,rms电压V网格与光伏输入电压通过以下表达式持有的可调的工作周期,在0和1之间不同:
3所示。光伏阵列建模
图2介绍了光伏电池的改进模型(29日- - - - - -32]。等效电路是由一个电流源取决于太阳辐射,二极管的特征是一个饱和电流和一个理想主义的因素 ,和两个电阻造型焦耳细胞损失和 ,分别。当前的太阳辐射的作用下释放的细胞(光子)的当前强烈与太阳辐射的强度但它略微取决于温度变化。当前的二极管是密切相关的温度和能量结的差距。它还依赖于二极管的电压。并联电流对应于电流流经并联的电阻通常被认为是非常高的。
在这个电模型给出了图的意思2中列出的是符号缩写,我们可以编写以下关系:
太阳能电池的负载电行为会被以下关系:
这个系统是非线性的,我们解决了它的迭代牛顿迭代方法是最合适的工具,这种情况下的系统。
4所示。光伏能源转移到网格
4.1。研究稳定状态的转移条件
我们一般和简化方法,处理图的电路3代表一个电压源提供一个交流负载由一个电压源放在一个内部阻抗。这样一个电路可以对应于电子能量分布网络的一部分(33,34]。最重要的是考虑到这个负载的短路功率极限的力量相比是非常重要的来源,也就是说,转换链由光伏发电机和两个静态转换器。这种假设可以考虑在振幅和频率电压源不变无论操作点。
在稳定状态下,公园的向量与菲涅耳的合并。因此,对于这样一个政权,我们建立图的矢量图4因此推断出下面的关系。要指出,这些方程生成相关的同步旋转坐标系中电压矢量 。在这种情况下,电压和电流直接和正交组件是资本所指出的字符。
此外,考虑到关系(1)和假设的理想强加的力量保护静态转换器系统(7)建立了适用于电源由光伏发电机:
对于一个 点了 曲线的光伏发电机和控制变量的指定值 ,上述两个方程就足以确定两个变量和并从中推断出有功功率和无功功率的值来源母线在逆变器输出终端。母线的来源 ,的有功功率和无功功率计算了
控制的选择价值起了至关重要的作用的存在解决方案;这是一方面,另一方面,它起着关键作用的程度如果它存在满意的解决方案。事实上,我们可以找到一个解决方案对应,例如,一个不可接受的平衡无功功率和在这种情况下选择的价值将被拒绝。当光伏发电机电流发生器工作模式,也就是说,当电压很低,在逆变器的输出电压也会低,负载将被要求提供无功功率转换链。这当然是一个不受欢迎的政权在几个层面上:电流过载,电压下降,有功功率。
策略主要领域的首选将光伏能源集成到网络在于实施零母线上的无功功率这个网络。正是这种类型的控制,我们感兴趣的是,在这项研究中。研制了一种控制结构对有功功率值的引用 ,这是尽可能高,零参考无功功率在源代表电网所在地。根据(8),获得零输入电网的无功功率,正交分量当前的也必须是零。因此,通过实施这个条件(7)- (9),我们得到
然后,通过结合(11)和(12),从而消除当前组件 ,一个获得以下独特的方程:
的一组参数 选择合适的,这个方程定义在平面上 曲线分支,可以降低光伏发电的特点在特定操作点如图5。
如果我们在空载的政权,也就是说, 和 ,前面的方程意味着简单的解决方案:
由此可见,最低的理论价值保证光伏发电机的操作点的存在对气候的工作条件
任何电压比率低于这个临界值使得传输有功功率源是不可能的同时尊重0无功功率。然而,很明显,最好的选择是允许的最大权力的转移。例如,让我们说,我们正处于最优操作点的光伏发电机电压、电流和功率,分别 , ,和 。从(10),我们可以计算出的值直接电流和推导出最佳的力量。替换的结果中发现(10)允许我们推断控制变量的值要使用。如果网络的短路阻抗足够低,通常情况下,这个值几乎可以对应于最优值:
随着全球电压比率包括匝比推挽变压器,很明显,可行性条件(15)转化为一个约束 。这意味着必须特别关注上浆的DC / DC变换器的最小值。如果这样的预防措施是不考虑,逆变器的工作周期检查操作点会大于1,控制结构也会失败,因为这个比例是当然饱和1。从这我们理解,重要的是进行初步扫描考虑限制气候变化的最小值来决定直流/直流转换器比率 。在一个正式的方式,我们提出下面的约束是一个值验证最优转移权力最大的变化在气候条件:
考虑电网参数 集成光伏能源的可能性的分析是非常重要的一个方面。能够转移中可用的电力电网光伏来源,必须事先知道这种力量的极限水平和检查的有效转移的可能性。这我们意味着一个初步计算的传播能力是非常必要的,以确保妥善转移。在的情况下,例如,将力量转移到网络的能力小于电力传输,控制结构将恢复某些失败。的功率极限,因此传输解决方案的存在,必须尊重以下条件:
最后,操作点对应的同时解决系统的三个方程(19)下面的牛顿迭代方法的三个变量 , ,和 ,为指定的值 。该方法给出了图的细节6。从获得的价值 ,一个容易推导出的价值力量传播源的网络。
4.2。控制结构在动态机制
重要的是显示变量的可行性问题政权通过控制策略。这是本节的目的所在。以最简单、最明了的方式方法这一问题,只有控制回路的动态负载的逆变器,在这里。假定直流/直流转换器的动态逆变器的上游是相对较慢,因为它输出滤波电容器。
提出的控制结构是图所示7。这个结构包含一组模块相关的必要的数学模型。模块1与光伏发电机。其输入变量说明气候条件:环境温度和太阳辐射 。它的输出电流和电压这取决于负载的功率和输入变量和 。模块2代表了DC / DC推挽变换器,其输出电压与光伏发电机电压方程(2)。模块3产生参考电压向量和一个模块和相位对电网同步角。这两个量来自模块7控制部分所在。模块4意识到空间对应的脉宽调制(SPWM)信号转换的功率晶体管逆变器系统化的模块5。这个模块是两个二次电压组件的输出信号在康科迪亚表示。模块6解决微分方程(20.)低于写在固定Concordia的参考系。当他们出现,Concordia的电压和电流组件指出小字符。关系(21)是考虑电网母线的电压是纯粹的正弦。
在公园的旋转参考系与网络同步电压源 ,当前传播的组件的动态表达
这些当前组件必须在稳态收敛对强加的参考价值需要的有功功率和无功功率 :
逆变器的输出电压组件也在稳定状态:
瞬态,一个使用这些关系引入纠正补偿条款的影响当前组件的动态变化。添加了纠正条款如下,是一个常数,其价值将提供用于仿真部分:
然后我们考虑一个参考电压等
这充分定义的逆变器控制模块的输入电压工作周期和它相网格中的同步帧:
5。仿真和结果
检查该命令在动态性能的政权,光伏系统的MATLAB / Simulink模型最初发达。要使用的参数是启发从实际项目目前正在开发研究实验室中ERCO(能源、机器人技术、控制和优化)位于INSAT,突尼斯。
光伏发电机被描述在前一个工作31日]。它是由10个太阳能电池板泰坦STP-12-50引用,Multi-Cristallin技术。表1报告必要的参数标准气候条件。
直流/直流逆变器是一个真正的野营的一部分电源。这个设备是科博IPS 1200的参考。这是一个额定12 V / 240伏电压和额定500 W功率器件。这个逆变器是设计为连接到一个汽车电池12伏特。为了满足这种电压约束,太阳能电池板并行连接。此外,DC / DC逆变器已经在我们实验室,以便修改一些输入化学电容器支持25直流电压。在负载很低,接近开路,我们证实电压比率 。
全球结构由图7模拟在下列条件:(我)气候条件:温度 °C和太阳辐射 (2)推挽式变换器与固定比率: (3)脉宽调制频率:(iv)参考无功功率 (v)参考有功功率 :这等于97%的光伏发电的最大功率(vi)过滤周期: (七)网格参数:
数据8和9显示了结构动态响应的有功功率和无功功率控制。这些变量适当收敛到所请求的引用在足够短的响应时间。有功功率收敛性很好。然而,无功功率在零附近振荡。这是由于这样的事实,表示网络的内部阻抗源低,生成一个永久性的纹波电流的现象在其基本的正弦分量。我们可以很容易的发现,绝对的无功功率变化仍在20 var,不如最终有功功率值的10%。一般的角度来看,这个性能给完整的满意度。在理论的角度来看,可以合理的振荡这一事实pseudostatic表单中定义的参考电压是一方面,补偿电阻的值另一方面是足够大的。
图10显示了控制变量的进化这是与逆变器的工作周期成正比。我们可以很容易地看到,这个值指定的范围内仍然是稳态的研究。事实上,它收敛于一个值 这意味着电压比例是什么 。
逆变器的电压的相移对网络的同步轴的顺序δ= 2.5°在稳态图所示11。这个值,这似乎很低,很有道理的。最大功率,可以传播到网络是其内部阻抗成反比;看到表达式(27)。这个力量是非常大的和功率要求。
图12给出了电流的瞬时波形放大。尽管当前的平均价值仍然一般正弦,我们观察切由于逆变器的输出电压的突然转变。当然,这个波形不是足够的接受程度。但我们也相信可以增强的结果。三个因素有助于达到这一目标。事实上,添加一个滤波电路,实现准确的转移阻抗计算,找到最优的切换频率可能是一个真正的解决方案。
图13给出了一个放大的稳态电压信号。中央这个图表示曲线的瞬时平均价值自然特征的参考电压。数据14和15分别对应的进化光伏发电机的电流和电压。我们也可以通过这些曲线的收敛性证明权力交付请求的参考。
之前我们已经表明,可以获得稳态操作点的特征是一个活跃的力量 全球的电压比和空无功功率 。实施 在一个开环仿真情况下导致不可接受的振荡和显示不可能转让请求的权利。这个结果在数据总结16和17。
6。结论
这个分析的目的是显示转移的可行性光伏能源的电网控制的主动和被动的权力。拟议的结构是基于推挽式变换器连接到三相交直流逆变器。问题的稳态结构的研究表明,能量转移的限制。的确,对于一个点 考虑光伏发电的特点和控制变量的指定值 ,我们可以推断出价值的有功功率和无功功率两个水平的替代当前母线和逆变器的输出终端。
的价值的选择一方面中扮演着关键角色存在的解决方案,另一方面在解决方案的满意度是否存在。事实上,人们可以找到一个解决方案对应,例如,一个不可接受的无功功率的平衡。当光伏发电机电流发生器工作模式,在逆变器的输出电压也会低,负载将被要求提供无功功率转换链。这显然是一个不受欢迎的政权在很多层面上:电流过载、电压和有功功率下降,很赚钱的在网络上的分布。相反,当光伏发电机电压发生器工作模式,与调整的贡献在转换器方面,我们可以有一个输出电压大于电压E的网络。在这种情况下,转换链会产生无功功率。整个系统的数学模型与三个非线性方程描述的行为在静态模式下制定。使用牛顿迭代的方法来解决这个系统数值。最后一点在这项工作是研究动态政权在能量转移。命令开发旨在确保转让最大有功功率和无功功率为零。我们有详细的控制策略采用;在动态模拟政权显示控制律的有效性。
缩写
| : | 太阳辐射 |
| : | 二极管结温度 |
| : | 结的能隙 |
| : | 电子电荷 |
| : | 玻尔兹曼常数 |
| : | 二极管品质因数 |
| : | 系列电阻器 |
| : | 分流电阻 |
| : | 短路电流 |
| : | 照片流二极管 |
| : | 饱和电流二极管 |
| : | 环境温度 |
| : | 热二极管的电压 |
| : | 开路电压 。 |
数据可用性
光伏面板的参数用于支持本研究的结果中包括这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。