光伏電源PQ控制策略及小信號穩定性研究

羅繼東+劉潤澤+鄒夢麗+王建平

摘 要：設計者根據光伏電源的數學模型，建立了光伏電源仿真模型。為了提高光伏陣列的利用效率，文章針對三相光伏發電并網系統，從PQ控制原理入手，在dq坐標系下建立了仿真模型，通過仿真得出PQ控制下的三相光伏發電并網運行特性，并建立小信號數學模型，通過建立小信號模型證明了仿真模型的正確性和有效性。

關鍵詞：光伏電源；并網；PQ控制策略；小信號穩定性

隨著傳統能源的日益枯竭，太陽能已成為極具發展潛力的新能源，而光伏發電是當前利用太陽能的主要方式之一[1]。目前所使用的光伏發電的方式有獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。其中，光伏并網發電系統不僅能夠有效利用光能，而且還能靈活控制輸出功率以適應用戶端的供電需求。因此，使用光伏微電網并網的發電方式更受歡迎。但是，這種發電方式之所以沒有大量普及是因為它還存在一些問題，其中最重要的是微電網的穩定性問題，包括光伏微電網本身的穩定性和微電網的并網穩定性。

新疆南疆區域太陽能資源豐富，全年日照時數為3 200～3 300 h。在每平方米面積上一年接受的太陽輻射總量為6 680～8 400 MJ，相當于225～285 kg標準煤燃燒所發出的熱量[2-3]。結合新疆南疆區域客觀的地理環境，文章通過深入調研和反復研究，了解南疆氣候變化對光伏發電的影響，在建立光伏發電的Simulink環境下建立了新疆南疆區域光伏發電模型、對光伏微電網控制策略PQ進行了分析。并且根據仿真模型對三相光伏并網逆變器和光伏微電網系統進行仿真實驗。在Matlab/Simulink環境下建立了新疆南疆區域光伏發電模型，對光伏微電網控制策略PQ進行了分析。并且根據仿真模型對三相光伏并網逆變器和光伏微電網系統進行仿真實驗。

1 PQ控制數學模型

基于Matlab/Simulink建立三相光伏并網發電系統，光伏電池產生最初的電流，經過升壓變換器后輸出最大功率，然后經過逆變器將直流轉換成三相交流，最后并入電網和電網一起為用戶供電（用戶端等效為負載RLC）。直流環節經三相逆變器并網，而逆變器輸出端的電壓以及電流頻率由逆變器的控制策略決定，電壓的幅值由逆變器輸入端直流電壓和逆變器控制策略共同決定。本文采用PQ控制策略的三相逆變器并網逆變器輸出三相基波電壓為U（電網電壓），Um為相電壓幅值，可以表示為：

從靜止abc坐標系到旋轉dq坐標系的變換（稱為Park變換，或dq變換）定義為 ：

對un進行dq變換可得：

可以看出三相靜止abc坐標系下，三相電壓是耦合的，而在旋轉dq坐標系下，d軸分量和q軸分量沒有耦合關系，并且ud為一個常數，uq=0[6]。

逆變器輸出電流i，dq變換得到d軸和q軸電流分別為id，iq。因為uq=0，所以當設定逆變器輸出有功功率為Pref無功功率為Qref，則逆變器輸出參考電流為：

對逆變器輸出功率的控制問題轉化為對電流的控制問題，只要實現對參考電流iref的跟蹤也就實現了對參考有功和無功的跟蹤，其中有功功率P由id決定，無功功率Q由iq決定，這樣就實現了三相有功和無功功率的解耦控制。根據上述分析建立PQ控制框圖，如圖1所示。通過功率的設定值來改變逆變器輸出的有功功率P和無功功率Q。

根據圖1可知PQ[7]控制原理：在逆變器與電網連接線上測量電流和電壓，并對測定的值進行dq變換，dq變換得到電壓的d軸分量電壓ud和q軸分量電壓uq，電流的d軸分量電流id和q軸分量電流iq。根據有功功率的設定值Pref和無功功率的設定值Qref，以及電壓ud，計算出電流的d軸分量設定值電流Id_ref，以及q軸分量設定值電流Iq_ref，并通過電流id和電流iq計算出電流變化量，然后經過PI控制，由于仿真的PI輸入正是電流的變化也就是差分成分，那么經過比例積分之后正好就是電壓，最后便得到了電壓ud_ref以及電壓uq_ref，將電壓ud_ref和電壓uq_ref經過dq逆變換后得到PWM所需的電壓Uref，繼而由PWM產生PWM信號控制逆變器工作，從而控制了逆變器的輸出功率。

2 光伏微電網穩定性分析

建立小信號模型如圖2所示，其中的PV Micro-Grid即為光伏微電網系統，多個光伏微電網系統作為分布式電源與大電網并網，同用戶組一起組成了整個供電網絡，這個模型也體現了微電網設計的初衷—實現多種能源、本地及遠程能源、多組能源共同為用戶組提供電能，并且在任何一個能源失效后其他能源能夠繼續供電，同時單個能源也能斷網獨立為某些用戶組供電，真正實現靈活智能供電，從而適應各種供電環境。為了研究光伏微電網的小信號穩定性，這里只設置了3組光伏電源同大電網并網，來模擬整個電網的運轉過程。3組光伏電源仿真參數如表1所示。

圖3—5分別為3個光伏微電網的輸出功率波形圖，由圖可以看出當輸出功率達到既定值后平衡，系統處于穩定狀態，符合IEEE 1547（響應時間小于0.6 s，頻率誤差小于0.3 Hz，電壓誤差小于10%，相位誤差小于20°）的標準。

3 結語

文章從光伏陣列的輸出特性及其仿真模型入手，介紹了PQ控制策略理論，在dq坐標系下建立了仿真模型，通過仿真得出了PQ控制下的三相光伏發電并網運行特性，用PQ策略對逆變器穩定性進行了研究，使DC-DC部分中太陽能光伏陣列輸出功率最大。通過仿真實驗，在t=0.3 s 時，系統并網電流和電壓能穩定地保持同頻同相，太陽能光伏發電電池板輸出功率增加，逆變器的輸出功率穩定并且可控。PQ控制通過實驗證明了PQ控制策略的有效性。表明PQ控制模型實現了有功和無功功率的解耦控制，通過小信號模型證明了仿真模型的正確性和有效性。仿真結果表明，此模型動態性能好，為光伏并網發電的進一步研究提供了有利基礎。

[參考文獻]

[1]崔紅芬，汪春，葉季蕾，等.多接入點分布式光伏發電系統與配電網交互影響研究[J].電力系統保護與控制，2015（10）：91-96.

[2]何穎.新疆光伏發電現狀及發展對策[J].新能源及工藝，2004（4）：36-37.

[3]呂紹勤，張華，馮剛.新疆太陽能資源及經濟評價[M].烏魯木齊：新疆人民出版社，1991.

[4]蘇建徽，余世杰，趙為，等.硅太陽電池工程用數學模型[J].太陽能學報，2001（4）：409-412.

[5]茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab 通用仿真模型[J].系統仿真學報，2005（5）：1248-1251.

[6]楊毅男.安多100 kWp獨立運行光伏發電系統暫態穩定性分析[D].北京：中國科學院研究生院，2003.

[7]蔣拯.基于Matlab/Simulink的三相光伏發電并網系統的仿真[J].電網與清潔能源，2013（29）：59-65.

[8]韓培潔，張惠娟，李賀寶，等.微電網控制策略分析研究[J].電網與清潔能源，2012（10）：25.