文摘

本文发展了光电双向逆变器(BI)的双模式操作无缝的权力转移到直流和交流负载。正常光伏(PV)美联储提高变频器输出电压,但在空间应用程序,提高转换器是不可取的。为了克服这一点,巴克和提高转换器在本文提出。责任周期这个转换器提供的帮助下最大功率点跟踪的结果翻译(MPPT)控制器。这可以通过使用实现扰动和观察方法。翻译的MPPT将巴克和提高模式之间的切换。当光伏阵列的输出电压接近直流总线电压,双向逆变器可以实现整流和电网连接模式。控制直流总线和交流电网之间的功率流,直流配电系统是用来调节直流总线电压到一个说服的水平。此外,双向逆变器必须满足电网连接(销售能力)和整流(购买电力)功率因数校正(PFC)来控制直流总线和交流电网之间的功率流。2.5 kVA的模拟和硬件实验电路给出了验证的性能提出了双模无缝的权力交接。

1。介绍

目前,世界能源需求主要是由传统的能源资源,是地球上所有的存储资源非常有限。方面如污染、有限公司2排放和全球变暖日益恶化的环境问题。因此,新的研究时代已经开始使用可再生能源如太阳能和风能。但随着太阳能、风能发电不是保持常数由于考虑参数如日常温度和辐照度的变化。克服这些变化和会议所需的额定功率的光伏系统翻译的帮助可以获得MPPT控制器(1- - - - - -4]。通常情况下,光伏系统输出电压变量以及相比,规模较小的直流总线电压。因此,直流-直流提升转换器是用来满足直流总线电压。但在空间应用,光伏系统输出电压可能会低于直流总线电压。因此,巴克转换器使用。这两个操作的帮助下可以克服Buck-Boost转换器,但问题是负输出电压和占空比变化。在巴克模式中,责任比从0到0.5;提高模式占空比变化从0.5到1。避免这巴克或提高变换器提出了翻译与MPPT控制器。只要光伏系统输出电压超过直流总线电压,然后减少转换器的输出(巴克)模式和责任比例应该变化从0.95到0.05,同样当光伏系统输出电压小于直流电压,然后转换器的输出必须增加,即。在促进模式和责任应该是不同的从0.05到0.95。 In the transition between buck and boost modes of an operation, the flowchart is proposed with perturb and observe (P&O) algorithm [5- - - - - -7]。

在文献调查,PV-based发电厂使用的电池存储以及辅助输入,但在提出系统、电池备份不是必需的。光伏的输出不是常数由于辐照度和温度等气候条件。获得恒定的直流输出电压和负载需求增强会见直流-直流buck-boost转换器P&O算法(8- - - - - -10]。直流总线是美联储通过双向逆变器(BI)网格。BI在双工作模式,即。,grid connected mode and rectifier mode. If the PV generation is higher than the load requirement, then the BI injects surplus power into the ac grid, which is termed as grid connection mode (sell power) [11,12]。相反,BI将权力从交流电网给负载,这称为整流模式(购买电力)。如果光伏发电满足负荷部分,那么实现无缝的电力传输技术(13]。不可用的无缝的权力交接意味着“光伏系统发电在任何一边,网格的另一端连接到临界荷载和无缝地转移通过直流总线实权。“双模光电双向逆变器能够在网格连接模式(销售)或整流模式(购买电力)功率因数校正(PFC)和无缝的功率流来满足条件(a)如果光伏发电不可用直流、交流负载是至关重要的,然后从电网提供的总功率是负载;(b)如果光伏系统输出功率满足直流负荷部分,然后电网将为交流负载,提供全功率供电直流负载(无缝的权力交接);(c)如果光伏系统输出功率完全满足直流负载和交流负载部分,然后提供的持久力量网格(无缝的权力交接);和(d)光伏发电直流和交流负载是否满意,多余的电力通过双向逆变器发送到网格,即。、网格连接模式(出售)。

2。光伏系统的建模和仿真

许多基于硅光伏电池,但其他一些苗条的电影系统要超过硅光伏电池成本和性能。使用等效电路模型可以帮助我们光伏电池的特性。该方法用于在MATLAB仿真实现14,15]。同样的造型技术也适用于建模一个PV字符串。光伏阵列直接将太阳能转换为电能。光伏设备的非线性电流-电压特性熟悉一些参数需要从临床实验数据的实用设备。光伏设备的精确的模型可能是有用的研究动态的转换器。光伏电池是一个半导体二极管(16,17]。光的患病率在细胞生成电荷载体,发明一个电流,如果细胞是短路的。基本上,PV景观设计是太阳辐射的迷惑和免费携带的生成和传输 - - - - - - 结[18]。一代电动携带的速度取决于发生光和半导体的关注能力。魅力的能力主要取决于半导体能带复制的细胞表面,电迁移,在重组率,温度,和其他因素(19]。光伏设备制造商总是提供一组观测数据,可用于获取设备的精确方程 - - - - - - 曲线。一些制造商也提供 - - - - - - 试验得到的曲线不同的工作条件(20.- - - - - -22]。

3所示。Buck-Boost转换器翻译的MPPT

通常情况下,光伏系统输出电压相比,大小是可变的和较小的直流总线电压。和负载要求会见boost变换器。但在空间应用,由于气候条件,光伏系统电压可能高于直流总线电压,然后使用巴克转换器。这些操作都可以克服buck-boost转换器。为了避免这个问题,提出了一种新的方法称为buck-boost转换器。当光伏输出电压 光伏大于直流电压 直流翻译,那么MPPT是在减少工作模式,即。,巴克与开关操作方式 1, 1, 2。翻译,否则,MPPT将运行在控制器和开关操作方式 1和 2随着 2。拟议中的巴克或提高直流-直流转换器如图1。


图1
提出了赛珍珠翻译或提高直流-直流转换器MPPT。

巴克或提高转换器的设计呈现在图2。


图2
巴克或提高直流-直流变换器非线性设备和开关。

电路参数表示为 米=电感的电感器( ), 米=内部电感的直流电阻 ,PV电压= 光伏光伏电流= 光伏,直流总线电压= 直流直流负载电流= 直流, 1= IGBT开关为巴克操作, 2提高操作= IGBT开关, 光伏= PV电容器, 直流=直流侧电容器, Lm=电感电流, Lm=电压感应器, 1, 2=操作的二极管 1, 2在下班的情况下,分别 M1, 平方米=在国家igbt的阻力,分别 D1, D2=在二极管正向电压下降。在直流配电系统,光伏面板电压( 光伏)作为输入的直流-直流转换器,转换器的输出直流总线电压( 直流)。如果光伏电池板的电压( 光伏)不仅仅是总线电压( 直流),在这种情况下, 2开关是关闭的连续和转换器的操作应该在巴克模式。

模式1:IGBT开关 1打开如图2。和巴克模式下的分析 2总是很低,这使得二极管 2行为总是在巴克模式。的磁化电感 米观察到不同的电压( 光伏− 直流通过功率二极管) 2。

模式2: 1(IGBT)如图2。的磁化电感 米从输出电压计算吗 直流通过 1和 2。

从方程(1)和(2),责任buck变换器的定量计算如下:

从方程(1),电感电压计算如下:

输出电容器在巴克操作如下:

只是碰碰运气,太阳能电池板的电压会低于总线电压转换器是用来在提高经营模式。的 1打开开关,不断增加的操作模式。模式3:在模式3, 2打开如图2。的磁化电感 米观察到从光伏电池板的电压 1和 2。

模式4:在第四模式, 2开关是关闭的,如图2。一个电感的退磁 米计算不同的光伏面板和直流母线电压的电压 1开关和电力二极管 2。

从方程(6)和(7),提高变换器的责任比例计算如下:

从方程(6),电感 米观察如下:

输出电容器在提高操作如下:

从上面的方程,得到了buck-boost转换器的设计参数。相应的规格表中提到1。

表1

开关状态阻力= 米 1= ,正向电压滴= D1= D2= 1 V,开关频率 西南= 15 kHz,允许最大峰值涟漪电感电流= 0.5, 。从巴克的设计参数,提高转换器,可以选择单独的最大值为模拟电路设计。设计参数表2。

表2
巴克或提高转换器的参数。

直流-直流转换器是在两种操作模式。当光伏输出大于直流电压,直流-直流转换器是在巴克的经营模式。另一方面,直流-直流转换器是在提高经营模式。由于气候条件,直流-直流转换器运行巴克或提高执行的操作模式与buck-boost过渡。

3.1。巴克之间的过渡和提高操作的模式

巴克和提高模式之间的过渡是一个至关重要的控制问题。在太阳能电池板的电压和直流总线电压是难以置信的,由于故障的电源开关,电压和电流波动可能发生。为了避免振荡问题,使用的模式过渡方案(23- - - - - -27]。翻译,当MPPT是工作模式和光伏输出电压 光伏是附近的 直流,那么开关 2将国家和责任的比例 1从0.95开始减少。通过这种控制方案, 光伏光伏阵列的输入电容 光伏和电压 光伏可以高到一个更高的水平停止振荡问题[28- - - - - -30.]。相反,开关 1经常和开关的负载比吗 2从0.05开始扩展。当 光伏下降到 直流通过巴克模式,翻译,然后,MPPT可以容易把责任比例模式过渡的有源开关(31日- - - - - -35]。翻译的MPPT方法将在下一节中解释。buck-boost模式过渡方案的流程图如图3。


图3
巴克的流程图或提高模式过渡。
3.2。翻译修改扰乱,观察MPPT控制器

翻译修改MPPT算法计算微分力量” “考虑的” ”和“ 。”的翻译传统的MPPT方法迭代,将会有发生的可能性很大,非常小的差异 。因此,它创造了大型脉冲的大小变化与创造不平衡负载比的变化。这会产生更多扭曲buck-boost转换器的输出。为了克服这个。” ”和“ 我是选择翻译修改MPPT算法。这些“ V”和“ 我观察能力差异在一个更好的方法比已有的方法为了管理职责的变化与减少扭曲脉冲转换器的输出。摄动算法的大小也选择不到0.01秒很敏锐的观察,测量每个迭代的权力差异。迭代过程继续按照给定的条件的算法。

3.3。与翻译修改MPPT仿真结果

从翻译修改MPPT的MATLAB仿真软件模型,给出了温度和辐照度作为模型的输入标准测试条件(STC)。每个光伏模块已经60细胞产生250瓦的电力。10模块串联排列形成一个数组。从仿真结果,模块开路电压( oc)约为37.6伏,短路电流( SC)是8.8安培,功率250瓦左右。类似地, oc数组是376伏 SC8.8安培和获得的最大功率的边际产量约为2500瓦。结果翻译修改MPPT的光伏阵列模型。 - - - - - - , - - - - - - 特性曲线在图4。实用 - - - - - - , - - - - - - 与太阳能光伏模块的特性曲线测量模块分析仪,代表图5。模拟和测量电压、电流、功率的光伏模块和PV值数组列表在表3。


图4
翻译修改MPPT - - - - - - 和 - - - - - - 一个数组的特性曲线。

图5
测量 - - - - - - 和 - - - - - - 光伏模块的特性曲线。
表3
模拟和测量电压、电流、功率的光伏模块和PV值数组。

4所示。三相双向逆变器

电路由双向逆变器(BI)太阳系之间的联系和交流电网。双向逆变器的输入 直流持续一致的水平。双向逆变器如图6这是为双模式工作;当光伏发电高于负载要求,双向逆变器交流电网注入盈余的权力;相反,双向逆变器将权力从交流电网补偿负载的要求。


图6
三相双向逆变器控制单元。

双向逆变器的工作是与3 -解释道Φ网格,它是连接到双向逆变器。从直流侧电压等效电路如图7。 l线间电压和吗 年代是桥变换器直流侧电压控制。一般的相量图和相量图整流模式和逆变器操作在统一功率因数(UPF)中描述的数据7(一)-7(d)。


图7
等效电路连接的电网双向逆变器正常相量图,整流模式矢量图,矢量图和逆变器模式。

线电流 l调整电感上电压降的 ,两个电压源通过联锁(网格和双向逆变器)。电网之间的电力传输和双向逆变器受到功率角” ”和双向逆变器输出电压幅度” 年代”,间接地控制着 和线电流振幅。通过这种方式,直流电流的平均值并签署接受控制比例通过双向逆变器有功功率进行了。当 ,然后电源取自电网(整流模式) l和 l在阶段,提出了图吗7(b)的时候 ,然后提供电力网格(反转模式) l和 l不是在阶段如图7(c)。这两种模式将正确和适当的控制技术。

4.1。双向逆变器的控制策略

分类和双向逆变器控制方法分为2步即电压- - - - - -基于控制和虚拟流量控制- - - - - -基于控制方法分析了数字8。


图8
双向逆变器的控制策略。

高功率因素和正弦输入电流波形得到与上述控制策略。在所有的控制策略中,voltage-oriented控制方法适用于本研究的工作,它需要固定开关频率,便于设计。下面列出的一些参数选择的挥发性有机化合物的方法。(1)直接功率控制具有良好的p。比VOC f,但缺点是恒定的开关频率(2)固定开关频率是必需的,因为很容易设计和低采样频率(3)一个更好的p。f可以实现VF-DPC有很多优势和恒定的开关频率

高动态和静态性能可以从voltage-oriented获得控制(VOC)通过一个内部电流控制回路。

4.2。Voltage-Oriented控制(VOC)

voltage-oriented控制来自著名的定向控制感应的机器。它保证高动态和静态性能。由于双向逆变器的输出(BI)与电网完全匹配,因此,控制门脉冲BI控制的参数BI是调制信号。这些调制信号得到的三相电压和电流转换为同步dq旋转坐标系转换利用公园。这些输出, 直流解耦控制器。的输出解耦控制器 d 和 问 被转换为 一个 , b ,和 c 。门脉冲生成的参考电压;这些脉冲是双向逆变器如图9。由于存在脱钩短语是控制有源和无功功率,从而避免在通过改变无功功率瞬变有功功率,反之亦然。


图9
Voltage-oriented控制方案。

此外,旋转体优先去同步角频率( )和相位角( )的网格。所需的电压和电网角度进行公园的变换,提取使用的锁相环路(锁相环)。

4.2.1。准备锁相环路

锁相环是一个网格连接系统的重要组成部分。的主要目的是生成相角 从电网电压。对于所有dq-transformations, 使用。用 问为零,那么 d与电网电压同步旋转向量。比例积分(PI)控制器是用来调整 问为零。PI控制器的输出在网格角频率是综合收益的角度对电网电压和反馈给abc-dq转换锁定dq与电网电压同步参考系。

4.2.2。解耦的电流控制

解耦的电流控制的控制策略是控制活动和逆变器的无功功率。和逆变器电流在单独的轴。有功功率循环由直流环节电压控制。然后,直流环节电压和无功功率循环控制栅极电流的无功分量。完美的解耦可以通过适当的控制的设计。有两个解耦循环的主要优势是中和不良造成的无功电流瞬变有功功率的变化,反之亦然。在挥发性有机化合物,为直轴电流参考( d )优先作为逆变器的输出功率,而交轴电流参考(智商吗 )逆变器的输出无功功率是首选。的 和 轴使用两个PI控制器逆变器电流控制;PI控制器将恒定的状态之间的误差为零参考电流(id 和智商 )和实际逆变器电流(id和智商)。逆变器的输出电压是根据给出的发电逆变器的数学模型 在哪里 d 和 问 逆变器输出电压的dq组件。 d和 问是公园的dq方面栅极电压的转换。方程(11)和(12)提到的健壮的连接 和 轴。在解耦控制器,交叉耦合项的 和 轴与前馈电压等方面进一步介绍了改进PI控制器的整体性能。解耦的电流控制器 d 和 问 电压。然后, d 和 问 转化为abc形成与实际相电压。错误将参考内部电流环。调制信号的内循环发展dq域。调制信号反馈给三相参考电压PWM和美联储,驱动双向逆变器。

4.3。fpga Controller-Spartan-6

Spartan-6 fpga控制器直流-直流变换器和双向逆变器提出了图10。采用霍尔电压和电流传感器是用来感觉线电压,电流,直流母线电压、光伏电压及电流为了使控制器的电压水平翻译水平。正弦信号直接转换成数字形式使用双极型ADC。翻译VHDL-based数字控制用于MPPT双向逆变器的直流-直流转换器和VOC的帮助下进行再次使用电脑和翻译水平。直流-直流变换器和双向逆变器的控制信号给各自的驱动单元。


图10
fpga Spartan-6控制器。

5。仿真和实验验证

验证的可行性与翻译buck-boost MPPT双向逆变器控制器直流输送系统,创建Spartan-6硬件设计参数,如图11。项目的规范和组件都列在下表中4。在光伏系统中,数组是由10个模块连接在系列如图(11日);参数表中列出4从太阳能模块分析仪和测量参数呈现在图11 (b)。可调电压获得光伏系统保持恒定的直流电压直流共同耦合点。直流-直流buck-boost转换器翻译的MPPT实现。当太阳能输出超过直流共同耦合点,电压转换器在赛珍珠翻译模式通过生成所需的MPPT脉冲给M1 IGBT开关。否则,它将在提高运营模式开关 2。直流-直流转换器翻译扰乱和观察MPPT方法用于获得恒定的直流电压,直流总线。翻译性能的MPPT控制器模拟从0.9秒到1秒翻译转换器操作没有当MPPT和翻译时间1秒MPPT,然后电压和功率会增加,电流会下降,相应的波形图12。原型情节也验证如图13。值的变化与翻译,没有MPPT列在下表中5。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图11
(一)太阳能电池板。分析仪(b)太阳能模块。(c)谐波分析仪太阳能电池板。(d)实验装置建立实验室。
表4
原型参数及其值。

图12
模拟波形和翻译没有MPPT光伏系统的输出参数。
(一)
(一)
(b)
(b)
图13
光伏系统的原型波形输出参数(a)翻译翻译没有MPPT和(b) MPPT。
表5
翻译有或没有MPPT光伏系统输出参数。

附近的光伏阵列的输出电压的直流总线电压变化对温度和辐照度。在这种情况下,我们通常喜欢buck-boost转换器。翻译的MPPT可以实现平滑模式转型成功控制流如图3。当 光伏有点小比 直流,然后开关 2是,开关的负载比吗 1从0.95开始减少责任比例。在此,目前 光伏将电容器充电 1和 光伏增加到一个更高的水平。然后,巴克模式实现。当 光伏是略高于 直流,然后开关 1是打开开关的负载比吗 2从0.05开始上升。在这期间,转换器是在提高经营模式。在早上时间6点,PV非常少,但(AC和DC)负载要求权力将不会得到满足。然后,所需的总负载(950 W)的力量完全取自电网。双向逆变器作为整流器,对应的电压和电流相位如图(14日)和14 (b)。从6点开始,随着太阳的强度增加,所以上午10时,光伏发电也增加到约330 W,剩下的来自电网。无缝的电力电网和负载之间传输。同样的,上午11点,光伏发电是900 W和其余取自电网。下午40分,光伏发电是1500 W和直流和交流负载满足和超过600 W功率是美联储通过双向逆变器网格,和对应的电压和电流波的相位中代表人物14 (c)和14 (d)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图14
(a, b)双向逆变器在整流模式(购买电力)950°W。(c, d)双向逆变器在电网连接模式(销售)-500°W。

双向逆变器工作在双模式,即。,短时间模式和整流模式。在两种情况下,负载必须是至关重要的。配电PV系统之间、网格和负载如图15。从0 - 0.8秒,没有光伏发电,但以满足负载要求,总从电网提供电能。在0.8秒开始,光伏发电开始,由于可用的辐照度和温度。然后,权力将会达到330 W在1.5秒;剩下的600 W功率是由网格。从1.5秒,进一步提高光伏发电的发生和力量达到900 W 2秒;也在这里,剩下的来自电网。在1.5秒,又进一步增加了光伏发电功率发生,达到约1500 W为2.5秒。这种力量满足负载要求,和多余的电力网格。权力平衡提出了波形图15和相应的值列在下表中6。


图15
仿真结果的电网电力、光伏电源和直流和交流负载整流模式和网格连接模式。
表6
模拟光伏发电和电网功率变化与恒定负载条件。

实验数据得到的谐波分析仪在不同的瞬间,如图14在表和相应的值7。

表7
实验测量功率、电压、电流和功率因数值在不同的瞬间。

6。结论

介绍了光电双向逆变器在双模式操作无缝的权力交接的直流和交流负载和电网接口。双向逆变器之间的功率流控制直流总线和交流电网的调节共同耦合直流总线电压。当前控制同步dq旋转坐标系和VOC实现控制有源和无功功率控制电流 和 分别轴。锁相环是用来制造旋转框架与电网电压同步帧提取网格角同步逆变器。光伏阵列的电压是不同的由于天气异常,MPPT已经注册的直流-直流转换器得到直流电压范围在580 - 600 V,以满足负载的要求。此外,控制律消除模式从促进过渡到巴克,反之亦然。电网之间的电力传输直流总线(模式)购买电力和电力传输直流总线之间的网格(销售能力)和无缝的权力交接会议整体逆变器系统已经实现的直流和交流负载的要求。实验验证了从2.5 kW,三相双向逆变器翻译的MPPT分析清楚。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

的资金支持塞尔维亚,科技部(DST),印度政府,见没有。塞尔维亚/ EMEQ-322/2014太阳能项目已经承认。