光伏電源PQ控制策略及小信號穩(wěn)定性研究

羅繼東+劉潤澤+鄒夢麗+王建平

摘 要：設(shè)計者根據(jù)光伏電源的數(shù)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(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，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(fā)電并網(wǎng)運行特性，并建立小信號數(shù)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(guān)鍵詞：光伏電源；并網(wǎng)；PQ控制策略；小信號穩(wěn)定性

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，太陽能已成為極具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉矗夥l(fā)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(fā)電的方式有獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)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(wǎng)并網(wǎng)的發(fā)電方式更受歡迎。但是，這種發(fā)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(wǎng)的穩(wěn)定性問題，包括光伏微電網(wǎng)本身的穩(wěn)定性和微電網(wǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。

新疆南疆區(qū)域太陽能資源豐富，全年日照時數(shù)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(fā)出的熱量[2-3]。結(jié)合新疆南疆區(qū)域客觀的地理環(huán)境，文章通過深入調(diào)研和反復研究，了解南疆氣候變化對光伏發(fā)電的影響，在建立光伏發(fā)電的Simulink環(huán)境下建立了新疆南疆區(qū)域光伏發(fā)電模型、對光伏微電網(wǎng)控制策略PQ進行了分析。并且根據(jù)仿真模型對三相光伏并網(wǎng)逆變器和光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真實驗。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了新疆南疆區(qū)域光伏發(fā)電模型，對光伏微電網(wǎng)控制策略PQ進行了分析。并且根據(jù)仿真模型對三相光伏并網(wǎng)逆變器和光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)進行仿真實驗。

1 PQ控制數(shù)學模型

基于Matlab/Simulink建立三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，光伏電池產(chǎn)生最初的電流，經(jīng)過升壓變換器后輸出最大功率，然后經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成三相交流，最后并入電網(wǎng)和電網(wǎng)一起為用戶供電（用戶端等效為負載RLC）。直流環(huán)節(jié)經(jīng)三相逆變器并網(wǎng)，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(wǎng)逆變器輸出三相基波電壓為U（電網(wǎng)電壓），Um為相電壓幅值，可以表示為：

從靜止abc坐標系到旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)dq坐標系下，d軸分量和q軸分量沒有耦合關(guān)系，并且ud為一個常數(shù)，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(shè)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(zhuǎn)化為對電流的控制問題，只要實現(xiàn)對參考電流iref的跟蹤也就實現(xiàn)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(xiàn)了三相有功和無功功率的解耦控制。根據(jù)上述分析建立PQ控制框圖，如圖1所示。通過功率的設(shè)定值來改變逆變器輸出的有功功率P和無功功率Q。

根據(jù)圖1可知PQ[7]控制原理：在逆變器與電網(wǎng)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(jù)有功功率的設(shè)定值Pref和無功功率的設(shè)定值Qref，以及電壓ud，計算出電流的d軸分量設(shè)定值電流Id_ref，以及q軸分量設(shè)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(jīng)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(jīng)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(jīng)過dq逆變換后得到PWM所需的電壓Uref，繼而由PWM產(chǎn)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(wǎng)穩(wěn)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(wǎng)系統(tǒng)，多個光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)作為分布式電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)，同用戶組一起組成了整個供電網(wǎng)絡(luò)，這個模型也體現(xiàn)了微電網(wǎng)設(shè)計的初衷—實現(xiàn)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(xù)供電，同時單個能源也能斷網(wǎng)獨立為某些用戶組供電，真正實現(xiàn)靈活智能供電，從而適應各種供電環(huán)境。為了研究光伏微電網(wǎng)的小信號穩(wěn)定性，這里只設(shè)置了3組光伏電源同大電網(wǎng)并網(wǎng)，來模擬整個電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)過程。3組光伏電源仿真參數(shù)如表1所示。

圖3—5分別為3個光伏微電網(wǎng)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(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，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(jié)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(fā)電并網(wǎng)運行特性，用PQ策略對逆變器穩(wěn)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(tǒng)并網(wǎng)電流和電壓能穩(wěn)定地保持同頻同相，太陽能光伏發(fā)電電池板輸出功率增加，逆變器的輸出功率穩(wěn)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(xiàn)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(jié)果表明，此模型動態(tài)性能好，為光伏并網(wǎng)發(fā)電的進一步研究提供了有利基礎(chǔ)。

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