三相光伏發電并網系統的建模與仿真

緱新科++張明鑫

摘 要： 為了真實地模擬光伏發電并網系統，針對光伏發電并網的最大功率點追蹤，給出了基于電導增量法的控制方法，提高了光伏電池陣列的工作效率。利用Boost電路實現MPPT控制，以SVPWM變換形成PWM波，在此基礎上分別從光伏發電并網系統的各重要組成部分出發，建立了一套兩級式三相光伏并網發電系統模型。最后，通過仿真對所搭建模型的動態性能進行驗證。仿真結果表明，該模型能夠真實地反映三相光伏發電并網系統的實際運行特性，具有較好的動態性能。

關鍵詞： 光伏并網系統； 光伏陣列； 并網逆變器； SVPWM

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）12?0159?04

0 引 言

光伏發電是一種新型的分布式發電技術，光伏發電系統主要是利用太陽能光伏電池直接對光能進行能量轉換從而產生電能的一套裝置，但是由于太陽光本身的不穩定等因素，光伏發電并網會對當前電網的穩定性造成一定的影響，因此對光伏發電并網的相關科學研究具有非常重要的實際意義。

近年來，我國對光伏發電并網的相關研究取得了很多關鍵性的進展，文獻[1]對光伏發電并網的幾個核心問題進行了研究，通過改進擾動法和Boost電路實現MPPT，對比光伏并網的電流控制方式，以雙閉環控制對聯網逆變器進行控制以及孤島檢測的優化等，該文獻為發展分布式能源的高效利用提供了重要參考。文獻[2]是在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了一個直流光伏發電模型，該模型的優勢在于能夠模擬任意光照強度下的光伏I?V特性，但未對三相光伏并網系統進行仿真。文獻[3]通過實際的光伏發電并網系統的運行數據，系統的介紹了光伏發電并網后對電網的影響，對不同天氣情況下的光伏發電功率、孤島檢測和大功率光伏發電并網后對電網負荷的影響等方面進行了研究，并對未來的光伏發電并網的調度、負載等問題進行了分析，對光伏發電的并網研究具有指導意義，但沒有提出具體的處理方案。文獻[4]主要針對光伏電源在微電網中的接入問題進行了研究，提出以PV的平均功率來計算儲能設備容量的相關方法，并通過仿真驗證了該方法具有較好的實際應用價值，但該研究主要針對的是微網環境。

本文主要是在Matlab/Simulink平臺上搭建了一套兩極式三相光伏發電并網系統模型，分別建立了基于光伏發電伏安特性的光伏電池陣列模型和基于電導增量法的MPPT控制模型，通過MPPT控制提高了光伏電池陣列的工作效率，最后通過仿真驗證了本系統具有較好的動態性能。

1 光伏陣列以及MPPT控制仿真模型

光伏發電并網系統主要包括太陽能電池陣列、并網逆變器、變壓器等最后再與大電網相連，其中光伏電源的等效電路如圖1所示。

圖1中，恒流源[ISC]為光生電流。[IL]為分光電流，它流過負載[RL]，在其兩端產生了電壓[UL]，此電壓作用于二極管產生了抵消另一部分光電流的電流[IF]，也可稱為暗電流。另外電池本身還有電阻，因此用一個并聯電阻[RSH]和一個串聯電阻[Rs]來等效。通過對光伏電池的等效電路的以及物理特性的分析可以得出以下算式：

[IL=ISC-IF0（eq（UL+ILRs）AKT-1）-UL+ILRsRSH] （1）

式中，[A]是二級管理想常數，當正偏電壓大時為1，正偏電壓小時為2；[K]為波爾茲曼常數，其值為[1.38×10-23J/K]；[T]為光伏電池的溫度；[IF0]為光伏電池在無光照時的飽和電流。從式中可以看出，光伏電池陣列輸出的電壓和電流受外界環境條件如光照強度溫度等的影響，在相對穩定的日照條件下，短路電流的強度與溫度呈現出一定的線性關系。基于以上數學模型，本文建立了的光伏陣列模型，其輸出特性如式（2）所示：

[IL=NPISC-NPIF0（eq（UL+ILRs）NSAKT-1）] （2）

式中：[NS]和[NP]分別代表串聯組件和并聯組件的數量，光伏陣列仿真模型如圖2所示。

光伏并網系統中為了提高光伏陣列的發電效率，通常要求整個光伏發電系統的功率始終保持在最大，即系統始終要對其最大功率點進行追蹤（MPPT）[5]。本文通過Boost電路來實現升壓功能，以電導增量法實現MPPT的控制，其原理就是通過對比光伏發電電池陣列的瞬時導抗以及導抗的變化量來實現MPPT功能，從典型光伏電池輸出功率P?V特性隨溫度變化曲線中[6]可以得到光伏發電并網系統的輸出功率具有最大功率點處功率對電壓的導數為0這一特性，即：

[d（P）d（V）=0] （3）

[d（VI）d（V）=Id（V）d（V）+Vd（I）d（V）=I+Vd（I）d（V）=0] （4）

[d（I）d（V）=-IV] （5）

電導增量法中的核心問題就是判斷式（5）所示的關系能否成立[7]，當式（5）成立，即輸出電導的變化量和負的輸出電導相等就表明此刻光伏并網的P?V曲線斜率為零，即達到了最大功率點MPP；若不成立就要根據算式（5）的大小關系來判斷功率曲線斜率的正負：當輸出電導的變化量大于負的輸出電導時，表明此時光伏并網的P?V曲線斜率為正；當輸出電導的變化量小于負的輸出電導時，表明此刻的光伏并網P?V曲線斜率為負[8]。圖3為搭建的基于電導增量法的MPPT模型。

2 并網逆變器的控制策略

兩級式光伏并網逆變器拓撲結構如圖4所示。本文搭建的三相光伏發電并網模型及仿真是在大電網的輸出三相平衡且穩定性較高，電感、功率開關管等元器件均為理想器件，并且不計開關過程和死區時間的條件下進行的。在三相坐標靜止坐標系中，三相光伏并網逆變器的數學模型可以根據基爾霍夫定律表述如式（6）所示：[LdiadtLdibdtLdicdt=-r000-r000-riaibic+100010001uaubuc-100010001eaebec] （6）

式中：[ia，ib，ic]是并網逆變器的輸出電流；[ua，ub，uc]是并網逆變器的輸出電壓；[ea，eb，ec]是三相電網的電壓；r是逆變器的輸出阻抗；L是交流端的濾波電感。

為得到同步旋轉d?q坐標系下的數學模型，對式（6）所描述的數學模型進行了同步坐標變換，最后得到三相光伏并網逆變器數學模型如式（7）所示：

[Ldiddt=ud-ed-Rid+ωLiqLdiqdt=uq-eq-Riq-ωLid] （7）

通過解耦和PI調節，可推導出在d?q坐標系中三相并網逆變器的電流前饋解耦算式：

[ud=PI*（i*d-id）+ed-ωLiquq=PI*（i*q-iq）+eq+ωLid] （8）

綜上，便可得出兩級式三相光伏并網逆變器的控制策略，如圖5所示。

由圖5可以看到，為得到光伏并網逆變器所需要的PWM波，首先，并網逆變器需要通過最大功率點追蹤得到[V*dc]，在與[Vdc]做差后得出誤差信號；其次，將得出的誤差信號通過PI調節后得到有功電流參考值[i*d]；再次，通過[i*d]和[i*q]和并網逆變器的輸出的有功電流和武功電流的采樣值做差后得出誤差值；最后，將次誤差通過解耦和PI調節后，再經過SVPWM變換即可。SVPWM變換也就是電壓空間矢量脈寬調制，依托平均值等效原理，由三相變流器輸出的指令電壓于復平面中合成電壓空間矢量，并且通過三相逆變器不同的開關模式，產生PWM波，目的就是使輸出的波形能夠盡量接近正弦理想波形[9]。

3 光伏發電系統并網模型及仿真

通過本文前面的分析和搭建的模型，建立如圖6所示的三相光伏發電并網系統，本系統采用雙環控制，具體的參數如下：[Tref=25 ℃]，[Sref=1 000 W/m2]；[Voc=64.2 V]，[ISC=5.96 A]；[Vm=54.7 V]，[Im=5.58 A]；[采樣時間=0.000 1 s，ΔD=0.000 1]；[fs=10 000 Hz]；[L=4e-3 H]；[三相對稱，ea=311×sin（100πt）]。

圖7和圖8即為三相光伏并網系統的三相電流和電壓的仿真圖。從仿真圖中電流和電壓所反應出的標準正弦曲線可以準確地驗證本文所采用的控制策略的正確性。

圖9為MPPT中直流端電壓[Vdc]的仿真圖。從圖中可以看出在一個周期內直流端電壓達到穩態。圖10為[IdIq]的仿真圖，圖中[Iq]一直近乎保持在0，說明本文所搭建的仿真模型能夠保持較好的單位因數并網。

圖11為光伏陣列的輸出功率和并網逆變器的輸出功率，從圖中可以看出光伏陣列和并網逆變器的輸出功率非常近似。

4 結 論

本文首先對光伏陣列和最大功率點追蹤的原理進行了介紹，然后建立了光伏陣列的仿真模型，通過Boost電路與電導增量法來實現光伏并網的MPPT控制。搭建了MPPT仿真模型，通過對光伏并網逆變器的控制策略的分析和運用，最后完整地建立了一個兩級式三相光伏并網系統模型，并通過仿真驗證了本系統控制策略的正確性且具有較好的動態性能，為后續的光伏并網的相關研究提供了有力支持。

參考文獻

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