适合分布式光伏发电接入的交直流混合低压配电系统的研究＊

张晓航 ，郝正航，张宏俊，余永元

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳550025)

在全球能源需求和环境保护的双重压力下，分布式光伏发电越来越得到人们的重视。支持大量分布式光伏电源的合理接入是未来电网发展的一个重要方向［1，2］。因此，本文介绍了一种适合分布式光伏发电接入的交直流混合低压配电系统:光伏发出的直流电直接给直流负载供电，电网的交流电直接给交流负载供电。传统的交直流混合微网中所采用的双向DC-AC 换流器使用的是全控型IGBT 器件［3，4］，IGBT 器件相对于半控型晶闸管的损耗大，耐压值低，而且存在孤岛检测失败的可能性，所以本文采用的换流器是24 脉波晶闸管换流器。

1 交直流混合低压配电网的特点

本文所介绍的适合分布式光伏发电接入的交直流混合低压配电系统结构有几个方面的特点:(1)减少电能损失;光伏发电系统是以直流方式输出电能，对普通用户来说，由光伏发出电能到电器使用一般要经过DC-AC-DC 的能量转换过程，此过程中会有电能的损失，而现有家用电器许多使用直流电源驱动，如果住宅中普及直流家用电器，就可以省去DC-AC-DC 的电能转换过程，据分析，省去此过程的能耗减少就能达到10% ～20%。(2)具有很好的经济性;可以省去直流电器配备的将交流电转换为直流电的电源装置，降低设备的制造成本。(3)本文所采用的双向换流器(DC-AC)采用24 脉波晶闸管换流器;使用这这种换流器主要有两个方面的优点:①可以降低损耗，普通晶闸管的损耗要比IGBT 损耗小得多;②可以避免使用IGBT因孤岛检测失败而对线路检修人员的人身安全构成威胁，现在即使孤岛检测的方法有多种多样，没有一种方法能绝对可靠，如果交流电网断电，而孤岛检测失败，光伏发出的电能继续回馈到交流电网，势必会给检修人员的安全构成威胁，而采用24脉波晶闸管换流器可以避免这种情况。交直流混合配电网结构图如图1 所示。

图1 交直流低压混合配电网结构图

2 光伏电池模型及最大功率跟踪

2.1 光伏电池模型

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应将所吸收的光能转换成电能的器件，它的输出特性受外界温度、辐射强度、负载等因素的影响，其中外界温度变化主要影响光伏电池的输出电压，光伏电池的输出电流主要受光照辐射强度变化的影响［5，6］。光伏电池的等效电路如图2 所示。

图2 光伏电池等效电路

由太阳能电池等效电路可以得出太阳能电池的输出电压U0和输出电流I0的关系为:

式中:Iph为光生电流;Ish为光电池反向饱和电流;n 为二极管的理想因子;k 为玻尔兹曼常数;q 为电子电量;Rs为光电池的串联电阻;Rsh为光电池的并联电阻。本文采用的是工程用光伏电池简化模型:

在此基础上，考虑将温度的变化量

和光照强度的变化量

引入，可得:

式中:Tref= 25·C 和Sref=1000 W/m2分别为标准条件下的环境温度和光照强度。e 为自然底数;b=0.5 为常数;c =0.0028·C-1为标准条件下的电压稳定系数;a =0.0028·C-1为标准条件下电流温度系数;Isc、Uoc、Im、Um分别为光伏电池板短路电流、开路电压、最大功率点电流、最大功率点电压。

2.2 光伏发电最大功率跟踪(MPPT)

目前，国内外出现的MPPT 算法种类比较多，有各自的优缺点，其中扰动观察法(P＆O)和增量电导法(INC)因发展成熟、控制简单、精度高而被普遍采用［7］。本文所采用的最大功率跟踪的方法是增量电导法。下面讲述基于Boost 电路的最大功率跟踪方法原理:

假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程无功率损耗，D 为开关管的占空比。Boost DC-DC 电路如图3 所示，由电路输入输出的电压关系可知:

图3 Boost DC-DC 电路变换器原理图

Boost 电路的输出往往接蓄电池或者换流器的直流侧，如果采样时间很短的话，Boost 电路的输出电压变化很小，可视为恒定，故又可得:

由光伏的功率电压(P-U)曲线可知，在最大功率点，功率对电压的倒数为零，而且在光照强度、温度等影响光伏电池输出特性的条件不变的情况下，每个最大功率对应一个电压。因为Boost 电路输出的电压变化很小，所以改变开关管的占空比D就能找到光伏电池在最大功率点电压，从而使光伏发电输出最大功率。

3 24 脉波换流器及其控制系统设计

在交直流混合配电网中，双向AC/DC 变流器控制着直流母线和交流母线间的功率流动，对系统的电压稳定及电能质量的提高发挥着重要作用［1］。双向AC/DC 变流器可根据实际需要，工作在整流和逆变模式，在交直流混合配电网功率流动中担任着重要的支撑和协调角色。本文采用的双向换流器为24 脉波晶闸管换流器。

3.1 脉波换流器原理

24 脉波的4 组整流桥通常有4 组并接方式、4组串接方式和两组串并接方式，但它们都是通过变压器将整流器交流侧电压的相位相互错开15°，从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动24次，而移相绕组和主绕组联结方式主要有曲折型、六边形和外延三角形等。本文采用外延三角形接法，先将主绕组侧电压分别移相+7.5°和-7.5°，然后将这两个移相绕组各自接到三绕组变压器，三绕组变压器采用Y-Y-D 联接方式，进而使得4 组整流桥交流侧的电压相位相互错开15°，其主电路接法如图4 所示。则各整流桥交流侧电压相位跟主绕组侧电压相位的关系分别为+7.5°、-22.5°、-7.5°、-37.5°。

图4 24 脉波换流器主电路原理图

其中，外延三角形联接方式的矢量图如图5 所示，移相变压器原边接成三角形，副边有两相绕组［8，9］。下面以第一组绕组为例:如果每相绕组均取其一部分(k2)接成三角形，另一部分绕组(k1)为三角形的延伸，输出电压Ua1、Ub1、Uc1 分别为三角形绕组电压与三角形延伸绕组电压之和，其相位分别超前输入电压Ua、Ub、Uc 的相位为7.5°。副边第二组绕组也由三角形绕组及其延伸构成，但其接法略有不同，输出电压Ua2、Ub2、Uc2 的相位分别滞后输入电压Ua、Ub、Uc 的相位7.5°。因此，Ua1、Ub1、Uc1 与Ua2、Ub2、Uc2 分别相差15°。令移相后的合成相电压为“1”，根据三角形正弦定律得［10］:

式中:k1，k2 分别为移相绕组电压，主绕组电压。

3.2 24 脉波换流器的控制系统设计

联网模式时换流器负责维持直流母线电压的稳定。孤岛运行时换流器处于断开状态，系统不会向电网馈送电能，可以防止孤岛检测失败，以提高线路检修的安全性。

图5 延边三角形联接方式矢量图

图6 是24 脉波换流器闭环控制系统原理图，采用恒电压控制的双向变流器使得直流母线电压恒定，提高系统的稳定性。24 脉波整流器输出电压Ud 经过滤波环节与给定电压参考信号Ud*作差，其偏差量Ue 经过PI 调节器和角度调整环节输出触发角参考信号α，并与6 路线电压同步参考信号一起，经过2 个12 脉冲触发电路输出24 个脉冲信号。从而控制直流母线电压的稳定。

4 系统仿真

本文所采用的光伏电池板每块为100 W，每块电池板的参数为:Isc=6.46 A 短路电流，开路电压Uoc=21.5 V，最大功率点电流5.71 A，最大功率点电压Um=17.5 V，光伏板采用每5 块板串联为一组，两组并联的连接方式，总额定功率为1 kW，交流电网额定相电压有效值设定为220 V，直流母线给定值为88 V。

仿真时，所有仿真波形图横坐标均为时间，单位为秒(s)。设置1 s 时当光照强度取500 W/m2变到1000 W/m2，1.5 s 时投入电阻50 Ω、电感为0.1 H 的阻感负载，母线电压设定为88 V，仿真结果如图7 -图11 所示。

功率曲线图7 和图8 分别为加最大功率跟踪时的功率曲线和不加最大功率跟踪时的功率曲线，由图可以看出，当光照强度增加的时候，光伏电池板输出功率都会增大，在1 s 之前，也就是说光照强度为500 W/m2时，可以明显看出加最大功率跟踪控制时功率基本能够达到最大，而不加最大功率跟踪不能达到最大功率;当光照强度变为1000 W/m2时，由于设定的母线电压为88 V，接近光伏电池板达到最大功率时的电压，所以当光照强度为1000 W/m2时，功率都能达到最大功率。

图7 加MPPT 时光伏电池板输出功率曲线

由于功率增大，光伏电池板输出电压也会相应的增大，会造成直流母线电压波动，由于换流器采用恒压闭环控制。1.5 s 的时候投入负载也造成触发角跟母线电压的波动，但是很快平稳，由图9 和图10 可以看出触发角和直流母线电压波动，但是很快平稳。

图8 不加MPPT 时光伏电池板输出功率曲线

图9 触发角

图10 直流母线电压

图11 是换流器交流侧a 相电流曲线图，由图可以看出电流一个周期脉动24 次。

图11 换流器交流侧电流局部图

5 结论

支持大量分布式光伏电源的合理接入是未来电网发展的重要方向，本文所提出的交直流混合配电网，光伏发出直流电供给直流负载使用，交流电网供电给交流负载，既能节省电能又有良好的经济性;本文所采用的最大功率跟踪能使光伏达到最大功率;24 脉波换流器作为交直流混合配电网的重要组成部分，跟采用6 脉波和12 脉波的晶闸管换流器相比，24 脉波换流器具有较低的网侧电流总谐波失真(THD)，在仿真时间2 s 内的总谐波失真为0.1%。能满足电网要求。输出直流电压更为平稳，而且与其他PWM 全控整流装置相比，具有开关损耗小、容量大等优点。最后仿真结果证明本文所采取的电压控制策略能维持直流母线电压的稳定。

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