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(duì)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(jí)式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型。最后，通過(guò)仿真對(duì)所搭建模型的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)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(dòng)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(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(yáng)能光伏電池直接對(duì)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(yáng)光本身的不穩(wěn)定等因素，光伏發(fā)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成一定的影響，因此對(duì)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(lái)，我國(guó)對(duì)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(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)的幾個(gè)核心問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)改進(jìn)擾動(dòng)法和Boost電路實(shí)現(xiàn)MPPT，對(duì)比光伏并網(wǎng)的電流控制方式，以雙閉環(huán)控制對(duì)聯(lián)網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制以及孤島檢測(cè)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(tái)上搭建了一個(gè)直流光伏發(fā)電模型，該模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠模擬任意光照強(qiáng)度下的光伏I?V特性，但未對(duì)三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[3]通過(guò)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(duì)電網(wǎng)的影響，對(duì)不同天氣情況下的光伏發(fā)電功率、孤島檢測(cè)和大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的影響等方面進(jìn)行了研究，并對(duì)未來(lái)的光伏發(fā)電并網(wǎng)的調(diào)度、負(fù)載等問(wèn)題進(jìn)行了分析，對(duì)光伏發(fā)電的并網(wǎng)研究具有指導(dǎo)意義，但沒(méi)有提出具體的處理方案。文獻(xiàn)[4]主要針對(duì)光伏電源在微電網(wǎng)中的接入問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出以PV的平均功率來(lái)計(jì)算儲(chǔ)能設(shè)備容量的相關(guān)方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但該研究主要針對(duì)的是微網(wǎng)環(huán)境。

本文主要是在Matlab/Simulink平臺(tái)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(guò)MPPT控制提高了光伏電池陣列的工作效率，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有較好的動(dòng)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(yáng)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(guò)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(gè)并聯(lián)電阻[RSH]和一個(gè)串聯(lián)電阻[Rs]來(lái)等效。通過(guò)對(duì)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(jí)管理想常數(shù)，當(dāng)正偏電壓大時(shí)為1，正偏電壓小時(shí)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(wú)光照時(shí)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(duì)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(gè)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(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤（MPPT）[5]。本文通過(guò)Boost電路來(lái)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(guò)對(duì)比光伏發(fā)電電池陣列的瞬時(shí)導(dǎo)抗以及導(dǎo)抗的變化量來(lái)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(duì)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(wèn)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(lái)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(shí)，表明此時(shí)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(shí)，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(jí)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(kāi)關(guān)管等元器件均為理想器件，并且不計(jì)開(kāi)關(guān)過(guò)程和死區(qū)時(shí)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(duì)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(guò)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(jí)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(guò)最大功率點(diǎn)追蹤得到[V*dc]，在與[Vdc]做差后得出誤差信號(hào)；其次，將得出的誤差信號(hào)通過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到有功電流參考值[i*d]；再次，通過(guò)[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(guò)解耦和PI調(diào)節(jié)后，再經(jīng)過(guò)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(guò)三相逆變器不同的開(kāi)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(guò)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(shí)間=0.000 1 s，ΔD=0.000 1]；[fs=10 000 Hz]；[L=4e-3 H]；[三相對(duì)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(yàn)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(gè)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(shuō)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(duì)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(guò)Boost電路與電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的MPPT控制。搭建了MPPT仿真模型，通過(guò)對(duì)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(gè)兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了本系統(tǒng)控制策略的正確性且具有較好的動(dòng)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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