基于坐標變換的單相光伏并網控制策略的研究

臺流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川 750021)

基于坐標變換的單相光伏并網控制策略的研究

臺流臣，王金梅，蘇婷

(寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川 750021)

一種單相兩級式光伏并網發電控制系統的仿真研究。根據硅型光伏電池的特性，研究設計了光伏電池的仿真模型，該模型可以模擬任意日照和溫度下光伏電池的輸出特性。在最大功率點跟蹤的算法方面，基于傳統電導增量法的進行改進，提出了一種變步長的跟蹤算法。逆變環節采用全橋逆變電路，根據瞬時無功理論，虛擬出一個與單相交流電流分量正交的交流量，基于旋轉坐標變換并利用PI調節控制來實現逆變電流的無靜差并網控制，同時實現了有功、無功功率的解耦控制。詳細分析了所提出的系統的工作原理和控制策略，采用Matlab/Simulink對系統進行了仿真驗證，仿真結果表明該系統能實現光伏陣列最大功率點的快速、準確跟蹤，逆變輸出電流控制精度高、諧波含量低，能實現單位功率因數并網發電。

光伏并網系統；最大功率點跟蹤；增量電導法；坐標變換

傳統能源的短缺和環境污染是當今世界面臨的重大問題，研究開發可再生能源發電系統具有重要意義。太陽能作為可再生能源之一，以其無噪聲、無污染、能量普遍等優點越來越受到重視。太陽能開發利用必將在21世紀得到長足的發展，而光伏并網發電是太陽能利用的必然發展趨勢，并且光伏發電在未來的發電系統中也將占據越來越重要的地位。由于太陽能發電成本較高，近年來，研究者主要致力于提高光伏系統穩定性和轉化效率、降低成本的研究[1-2]。

現在逆變系統的主要拓撲結構分為單級式逆變系統和兩級式逆變系統。單級式系統效率高，但其控制較為復雜，實際應用困難。兩級式系統的效率比單級式較低，但其最大功率跟蹤和逆變并網控制分別獨立完成，控制相對簡單，是目前采用較多的一種拓撲結構。本文將以兩級式結構作為研究對象。

1 硅型光伏電池的建模仿真

1.1 太陽電池等效電路

硅型光伏電池是利用半導體光伏效應制成，它是將太陽輻射能直接轉換為電能的器件。光伏電池的輸出特性與日照強度(W/m2)、電池溫度(℃)以及負載電壓有關。根據電子學理論，其等效電路模型如圖1所示。

根據太陽電池內部結構和電路特性，在不同光照強度和環境溫度下，光伏電池模塊的輸出電流-電壓()以及功率-電壓()具有非線性特性，光伏電池的輸出特性方程為[3]：

圖1 光伏電池等效電路模型

1.2 太陽電池的仿真模型

本文選用德國Siemens公司生產的SP75型號電池進行實驗分析。當光強=1 000 W/m2，溫度=25℃時，Siemens SP75電氣參數為：oc=21.7 V，sc=4.8 A，m=17.0 V，m=4.4 A，m=75 W。根據上面光伏電池的電路模型和相關的電氣參數，利用Matlab/Simulink建立了光伏電池仿真測試模型。

1.3 太陽電池的溫度特性和光照特性仿真

(1)不同光照條件下光伏電池輸出特性

從圖2特性曲線的測試結果得知，日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產生的最大電流會有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨之改變，短路電流sc和輸出功率均與光照強度成正比。

圖2 相同溫度不同光照下光伏電池的特性曲線

(2)不同環境溫度下光伏電池輸出特性

圖3 相同光照不同溫度下光伏電池的特性曲線

2 最大功率點跟蹤的研究

2.1 最大功率點的跟蹤方法

常用的最大功率點的跟蹤方法有：恒定電壓法、增量電導法以及擾動觀察法。恒定電壓法算法簡單但其效率較低。擾動觀察法則有在最大功率點附近振蕩的問題，造成能量損耗并降低光伏電池的效率，尤其是在氣候條件變化緩慢時，能量損耗的情況更為嚴重[4]。鑒于增量電導法的快速性和準確性，本文在增量電導法上進行研究。

2.2 改進的增量電導法的算法仿真

傳統增量電導算法步長固定，步長過小，會使光伏陣列長時間滯留在低功率區域，步長過大，又會加劇系統的振蕩。理想的控制目標是：當離最大功率點較遠時，步長增大，尋優速度加快；當離最大功率點較近時，步長減小，逐漸地逼近最大功率點；當其非常接近最大功率點時，系統就穩定在該點工作。改進的增量電導算法流程圖如圖4所示。

圖4 改進的增量電導算法流程圖

改進算法是在傳統增量電導算法上增加一個控制單元，利用可變步長進行功率點跟蹤，即當工作點1遠離最大功率點時，則采用適當步長爭取在最少的執行周期內把工作點調整到最大功率點附近。這種算法將使得從1到max的調整步數大大減少，從而提高了跟蹤速度，當調整到max附近時再用小步長進一步跟蹤逼近max。

對比圖5的仿真結果可以明顯看出，在0.3 s和0.5 s當溫度和光照分別發生改變時，改進的增量電導算法可實現快速準確地跟蹤光伏電池的最大功率，克服了傳統增量電導算法因震蕩問題所產生的功率損失，具有較好的跟蹤效果，進一步提高了系統的跟蹤效率。

圖5 (a)改進前的結果

3 逆變并網控制策略的研究

逆變環節是連接光伏發電系統和電網的關鍵環節，其控制目標是輸出穩定、高質量的正弦交流電，并且與電網電壓同頻同相。因此，光伏發電系統輸出電流控制策略是研究的熱點之一。現有的控制方法有PI控制、空間矢量控制、無差拍控制、重復控制等。本文根據瞬時無功理論，采用基于旋轉坐標變換的PI控制，實現了光伏并網發電與功率調節的統一控制[6-7]。

圖5 (b)改進后的結果

圖6 基于坐標變換的逆變環節的控制結構框圖

4 仿真實驗及其結果分析

根據以上的控制方案，基于Matlab/Simulink建立了兩級式光伏并網發電系統的仿真模型，光伏陣列輸出直流電壓經升壓后為400 V左右，逆變后與220 V/50 Hz交流電網并網。圖7為逆變器輸出并網電流波形和電網電壓波形。圖8為逆變器輸出的無功功率和有功功率。從仿真結果可以看出，逆變器輸出電流和電網電壓同頻同相，實現單位功率因數并網運行，達到了預定的控制目標。從圖9并網電流頻譜分析結果可知，基波電流幅值為7 A，電流諧波總畸變率為0.26%。由此得出：當直流母線電壓、濾波電感，以及PI參數選擇合適的情況下，基于旋轉坐標變換的并網電流SPWM跟蹤閉環控制系統，不僅能成功實現并網的控制，還能實現有功無功的調節。

圖7 逆變輸出的電壓和電流波形

圖8 逆變輸出的功率波形

圖9 逆變輸出電流的諧波含量分析

5 結論

本文首先分析了硅型光伏電池的等效電路，基于推導的數學模型構建了光伏電池Simulink仿真模型，驗證了光伏陣列在不同的光照強度和不同溫度下的光伏輸出特性曲線，與光伏陣列輸出特性曲線基本吻合，具備研究價值。在傳統電導增量法的基礎上進行改進，采用變步長的最大功率點跟蹤算法，進行了仿真驗證，仿真結果表明改進算法具有跟蹤速度快、效率高的優點。對單相兩級式光伏并網系統的逆變控制環節采用基于旋轉坐標變換的PI控制，實現了光伏并網發電與有功無功調節的統一控制，仿真實驗表明，該方案在穩態情況能有效降低并網電流THD，有較好的動態響應能力。

[1]KJAER S B,PEDERSEN J K,BLAABJERG F.A review of singlephase grid-connected inverters for photovoltaic modules[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(5):1129-1306.

[2]吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.單級式光伏并網逆變系統中的最大功率點跟蹤算法穩定性研究[J].中國電機工程學報，2006,26(6): 73-77.

[3]SOLODOVNIK E V,LIU S,DOUGAL R A.Power controller design for maximum power tracking in solar installations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2004,19(5):1295-1304.

[4]周德佳，趙爭鳴，袁立強，等.具有改進最大功率跟蹤算法的光伏并網控制系統及其實現[J].中國電機工程學報，2008，28(31): 94-100.

[5]趙庚申，王慶章，許盛之.最大功率點跟蹤原理及實現方法的研究[J].太陽能學報，2006,27(10):997-1001.

[6]董密，羅安.光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法[J].電力系統自動化，2006，30(20):97-102.

[7]顧和榮，揚子龍，鄔偉楊.并網逆變器輸出電流滯環跟蹤控制技術研究[J].中國電機工程學報，2006,26(9):108-112.

[8]FRANCESCHINI G,TASSONI E L C,BELLINI A.Synchronous reference frame grid current control for single-phase photovoltaic converters[C]//Industry Applications Society Annual Meeting,2008. US:IEEE,2008:1-7.

Research on control strategy of single-phase photovoltaic grid-connected system based on frame transformation

TAI Liu-chen,WANG Jin-mei,SU Ting

A simulation system for single-phase grid-connected photovoltaic(PV)system was proposed.The electrical model and nonlinear characteristics of the silicon PV cell were analyzed.The Simulink simulation model was built based on the output characteristics of single PV cell.An improved maximum power point tracking(MPPT) method based on the traditional incremental conductance method was simulated and studied.DC-AC link,using the full-bridge inverter circuit,according to the instantaneous reactive power theory,imaginary component was built and processed by Park transformation.The AC component into DC component was changed.The steady-state error of the grid current could be eliminated by the simple PI control.Then the inverter active and reactive power control were allowed.Experimental results show that when the high stability and high efficiency of this modified strategy is applied in single-phase grid-connected PV system,the output current has high control precision,low harmonic and unit power factor operation are realized.

photovoltaic grid-connected system;maximum power point tracking;incremental conductance method; frame transformation

TM 615

A

1002-087 X(2014)02-0286-04

2013-06-14

國家自然科學基金項目(51167015)；寧夏回族自治區自然科學基金項目(NZ1152)；國家國際科技合作專項項目(2011DFA11780)

臺流臣(1985—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子和新能源發電技術。

王金梅(1968—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向為光伏并網發電及微網技術。E-mail：Wang_jm@nxu.edu.cn