三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的建模與仿真

緱新科++張明鑫

摘 要： 為了真實(shí)地模擬光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，針對光伏發(fā)電并網(wǎng)的最大功率點(diǎn)追蹤，給出了基于電導(dǎo)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(shí)現(xiàn)MPPT控制，以SVPWM變換形成PWM波，在此基礎(chǔ)上分別從光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的各重要組成部分出發(fā)，建立了一套兩級式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型。最后，通過仿真對所搭建模型的動態(tài)性能進(jìn)行驗證。仿真結(jié)果表明，該模型能夠真實(shí)地反映三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特性，具有較好的動態(tài)性能。

關(guān)鍵詞： 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)； 光伏陣列； 并網(wǎng)逆變器； SVPWM

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

0 引 言

光伏發(fā)電是一種新型的分布式發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽能光伏電池直接對光能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換從而產(chǎn)生電能的一套裝置，但是由于太陽光本身的不穩(wěn)定等因素，光伏發(fā)電并網(wǎng)會對當(dāng)前電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成一定的影響，因此對光伏發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)科學(xué)研究具有非常重要的實(shí)際意義。

近年來，我國對光伏發(fā)電并網(wǎng)的相關(guān)研究取得了很多關(guān)鍵性的進(jìn)展，文獻(xiàn)[1]對光伏發(fā)電并網(wǎng)的幾個核心問題進(jìn)行了研究，通過改進(jìn)擾動法和Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT，對比光伏并網(wǎng)的電流控制方式，以雙閉環(huán)控制對聯(lián)網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制以及孤島檢測的優(yōu)化等，該文獻(xiàn)為發(fā)展分布式能源的高效利用提供了重要參考。文獻(xiàn)[2]是在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了一個直流光伏發(fā)電模型，該模型的優(yōu)勢在于能夠模擬任意光照強(qiáng)度下的光伏I?V特性，但未對三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[3]通過實(shí)際的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的介紹了光伏發(fā)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)的影響，對不同天氣情況下的光伏發(fā)電功率、孤島檢測和大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)負(fù)荷的影響等方面進(jìn)行了研究，并對未來的光伏發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)度、負(fù)載等問題進(jìn)行了分析，對光伏發(fā)電的并網(wǎng)研究具有指導(dǎo)意義，但沒有提出具體的處理方案。文獻(xiàn)[4]主要針對光伏電源在微電網(wǎng)中的接入問題進(jìn)行了研究，提出以PV的平均功率來計算儲能設(shè)備容量的相關(guān)方法，并通過仿真驗證了該方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用價值，但該研究主要針對的是微網(wǎng)環(huán)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型，分別建立了基于光伏發(fā)電伏安特性的光伏電池陣列模型和基于電導(dǎo)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(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。

1 光伏陣列以及MPPT控制仿真模型

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣列、并網(wǎng)逆變器、變壓器等最后再與大電網(wǎng)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(fù)載[RL]，在其兩端產(chǎn)生了電壓[UL]，此電壓作用于二極管產(chǎn)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(lián)電阻[RSH]和一個串聯(lián)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(shù)，當(dāng)正偏電壓大時為1，正偏電壓小時為2；[K]為波爾茲曼常數(shù)，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(huán)境條件如光照強(qiáng)度溫度等的影響，在相對穩(wěn)定的日照條件下，短路電流的強(qiáng)度與溫度呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。基于以上數(shù)學(xué)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(lián)組件和并聯(lián)組件的數(shù)量，光伏陣列仿真模型如圖2所示。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中為了提高光伏陣列的發(fā)電效率，通常要求整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率始終保持在最大，即系統(tǒng)始終要對其最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤（MPPT）[5]。本文通過Boost電路來實(shí)現(xiàn)升壓功能，以電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)MPPT的控制，其原理就是通過對比光伏發(fā)電電池陣列的瞬時導(dǎo)抗以及導(dǎo)抗的變化量來實(shí)現(xiàn)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率具有最大功率點(diǎn)處功率對電壓的導(dǎo)數(shù)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(dǎo)增量法中的核心問題就是判斷式（5）所示的關(guān)系能否成立[7]，當(dāng)式（5）成立，即輸出電導(dǎo)的變化量和負(fù)的輸出電導(dǎo)相等就表明此刻光伏并網(wǎng)的P?V曲線斜率為零，即達(dá)到了最大功率點(diǎn)MPP；若不成立就要根據(jù)算式（5）的大小關(guān)系來判斷功率曲線斜率的正負(fù)：當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量大于負(fù)的輸出電導(dǎo)時，表明此時光伏并網(wǎng)的P?V曲線斜率為正；當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量小于負(fù)的輸出電導(dǎo)時，表明此刻的光伏并網(wǎng)P?V曲線斜率為負(fù)[8]。圖3為搭建的基于電導(dǎo)增量法的MPPT模型。

2 并網(wǎng)逆變器的控制策略

兩級式光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。本文搭建的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)模型及仿真是在大電網(wǎng)的輸出三相平衡且穩(wěn)定性較高，電感、功率開關(guān)管等元器件均為理想器件，并且不計開關(guān)過程和死區(qū)時間的條件下進(jìn)行的。在三相坐標(biāo)靜止坐標(biāo)系中，三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)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(wǎng)逆變器的輸出電流；[ua，ub，uc]是并網(wǎng)逆變器的輸出電壓；[ea，eb，ec]是三相電網(wǎng)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(zhuǎn)d?q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對式（6）所描述的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了同步坐標(biāo)變換，最后得到三相光伏并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型如式（7）所示：

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

通過解耦和PI調(diào)節(jié)，可推導(dǎo)出在d?q坐標(biāo)系中三相并網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)逆變器所需要的PWM波，首先，并網(wǎng)逆變器需要通過最大功率點(diǎn)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(diào)節(jié)后得到有功電流參考值[i*d]；再次，通過[i*d]和[i*q]和并網(wǎng)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(diào)節(jié)后，再經(jīng)過SVPWM變換即可。SVPWM變換也就是電壓空間矢量脈寬調(diào)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(fù)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(guān)模式，產(chǎn)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(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用雙環(huán)控制，具體的參數(shù)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(wǎng)系統(tǒng)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(yīng)出的標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線可以準(zhǔn)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(nèi)直流端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。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(shù)并網(wǎng)。

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

4 結(jié) 論

本文首先對光伏陣列和最大功率點(diǎn)追蹤的原理進(jìn)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(dǎo)增量法來實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的MPPT控制。搭建了MPPT仿真模型，通過對光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略的分析和運(yùn)用，最后完整地建立了一個兩級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，并通過仿真驗證了本系統(tǒng)控制策略的正確性且具有較好的動態(tài)性能，為后續(xù)的光伏并網(wǎng)的相關(guān)研究提供了有力支持。

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