三相光伏发电并网系统的建模与仿真

缑新科，张明鑫

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050）

摘要：为了真实地模拟光伏发电并网系统，针对光伏发电并网的最大功率点追踪，给出了基于电导增量法的控制方法，提高了光伏电池阵列的工作效率。利用Boost电路实现MPPT控制，以SVPWM变换形成PWM波，在此基础上分别从光伏发电并网系统的各重要组成部分出发，建立了一套两级式三相光伏并网发电系统模型。最后，通过仿真对所搭建模型的动态性能进行验证。仿真结果表明，该模型能够真实地反映三相光伏发电并网系统的实际运行特性，具有较好的动态性能。

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关键词 ：光伏并网系统；光伏阵列；并网逆变器；SVPWM

中图分类号：TN710-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0159-04

收稿日期：2014-12-17

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51107019）

0 引言

光伏发电是一种新型的分布式发电技术，光伏发电系统主要是利用太阳能光伏电池直接对光能进行能量转换从而产生电能的一套装置，但是由于太阳光本身的不稳定等因素，光伏发电并网会对当前电网的稳定性造成一定的影响，因此对光伏发电并网的相关科学研究具有非常重要的实际意义。

近年来，我国对光伏发电并网的相关研究取得了很多关键性的进展，文献[1]对光伏发电并网的几个核心问题进行了研究，通过改进扰动法和Boost 电路实现MPPT，对比光伏并网的电流控制方式，以双闭环控制对联网逆变器进行控制以及孤岛检测的优化等，该文献为发展分布式能源的高效利用提供了重要参考。文献[2]是在PSCAD/EMTDC 平台上搭建了一个直流光伏发电模型，该模型的优势在于能够模拟任意光照强度下的光伏I-V 特性，但未对三相光伏并网系统进行仿真。文献[3]通过实际的光伏发电并网系统的运行数据，系统的介绍了光伏发电并网后对电网的影响，对不同天气情况下的光伏发电功率、孤岛检测和大功率光伏发电并网后对电网负荷的影响等方面进行了研究，并对未来的光伏发电并网的调度、负载等问题进行了分析，对光伏发电的并网研究具有指导意义，但没有提出具体的处理方案。文献[4]主要针对光伏电源在微电网中的接入问题进行了研究，提出以PV的平均功率来计算储能设备容量的相关方法，并通过仿真验证了该方法具有较好的实际应用价值，但该研究主要针对的是微网环境。

本文主要是在Matlab/Simulink 平台上搭建了一套两极式三相光伏发电并网系统模型，分别建立了基于光伏发电伏安特性的光伏电池阵列模型和基于电导增量法的MPPT 控制模型，通过MPPT 控制提高了光伏电池阵列的工作效率，最后通过仿真验证了本系统具有较好的动态性能。

1 光伏阵列以及MPPT 控制仿真模型

光伏发电并网系统主要包括太阳能电池阵列、并网逆变器、变压器等最后再与大电网相连，其中光伏电源的等效电路如图1所示。

图1中，恒流源ISC 为光生电流。IL 为分光电流，它流过负载RL ，在其两端产生了电压UL ，此电压作用于二极管产生了抵消另一部分光电流的电流IF ，也可称为暗电流。另外电池本身还有电阻，因此用一个并联电阻RSH 和一个串联电阻Rs 来等效。通过对光伏电池的等效电路的以及物理特性的分析可以得出以下算式：

式中，A 是二级管理想常数，当正偏电压大时为1，正偏电压小时为2； K 为波尔兹曼常数，其值为1.38 × 10-23 J/K ；T 为光伏电池的温度；IF0 为光伏电池在无光照时的饱和电流。从式中可以看出，光伏电池阵列输出的电压和电流受外界环境条件如光照强度温度等的影响，在相对稳定的日照条件下，短路电流的强度与温度呈现出一定的线性关系。基于以上数学模型，本文建立了的光伏阵列模型，其输出特性如式（2）所示：

式中：NS 和NP 分别代表串联组件和并联组件的数量，光伏阵列仿真模型如图2所示。

光伏并网系统中为了提高光伏阵列的发电效率，通常要求整个光伏发电系统的功率始终保持在最大，即系统始终要对其最大功率点进行追踪（MPPT）[5]。本文通过Boost电路来实现升压功能，以电导增量法实现MPPT的控制，其原理就是通过对比光伏发电电池阵列的瞬时导抗以及导抗的变化量来实现MPPT功能，从典型光伏电池输出功率P-V 特性随温度变化曲线中[6]可以得到光伏发电并网系统的输出功率具有最大功率点处功率对电压的导数为0这一特性，即：

电导增量法中的核心问题就是判断式（5）所示的关系能否成立[7]，当式（5）成立，即输出电导的变化量和负的输出电导相等就表明此刻光伏并网的P-V 曲线斜率为零，即达到了最大功率点MPP；若不成立就要根据算式（5）的大小关系来判断功率曲线斜率的正负：当输出电导的变化量大于负的输出电导时，表明此时光伏并网的P-V 曲线斜率为正；当输出电导的变化量小于负的输出电导时，表明此刻的光伏并网P-V 曲线斜率为负[8]。图3为搭建的基于电导增量法的MPPT模型。

2 并网逆变器的控制策略

两级式光伏并网逆变器拓扑结构如图4 所示。本文搭建的三相光伏发电并网模型及仿真是在大电网的输出三相平衡且稳定性较高，电感、功率开关管等元器件均为理想器件，并且不计开关过程和死区时间的条件下进行的。在三相坐标静止坐标系中，三相光伏并网逆变器的数学模型可以根据基尔霍夫定律表述如式（6）所示：

式中：ia ,ib ,ic 是并网逆变器的输出电流；ua ,ub ,uc 是并网逆变器的输出电压；ea ,eb ,ec 是三相电网的电压；r 是逆变器的输出阻抗；L 是交流端的滤波电感。

为得到同步旋转d-q 坐标系下的数学模型，对式（6）所描述的数学模型进行了同步坐标变换，最后得到三相光伏并网逆变器数学模型如式（7）所示：

通过解耦和PI调节，可推导出在d-q坐标系中三相并网逆变器的电流前馈解耦算式：

综上，便可得出两级式三相光伏并网逆变器的控制策略，如图5所示。

由图5可以看到，为得到光伏并网逆变器所需要的PWM波，首先，并网逆变器需要通过最大功率点追踪得到V *dc ，在与Vdc 做差后得出误差信号；其次，将得出的误差信号通过PI调节后得到有功电流参考值i*d ；再次，通过i*d 和i*q 和并网逆变器的输出的有功电流和武功电流的采样值做差后得出误差值；最后，将次误差通过解耦和PI调节后，再经过SVPWM 变换即可。SVPWM 变换也就是电压空间矢量脉宽调制，依托平均值等效原理，由三相变流器输出的指令电压于复平面中合成电压空间矢量，并且通过三相逆变器不同的开关模式，产生PWM 波，目的就是使输出的波形能够尽量接近正弦理想波形[9]。

3 光伏发电系统并网模型及仿真

通过本文前面的分析和搭建的模型，建立如图6所示的三相光伏发电并网系统，本系统采用双环控制，具体的参数如下：Tref = 25 ℃ ， Sref = 1 000 W/m2 ；Voc = 64.2 V ，ISC = 5.96 A ；Vm = 54.7 V ，Im = 5.58 A ；采样时间= 0.000 1 s，ΔD = 0.000 1 ； fs = 10 000 Hz ；L = 4e - 3 H ；三相对称，ea = 311 × sin(100πt) 。

图7和图8即为三相光伏并网系统的三相电流和电压的仿真图。从仿真图中电流和电压所反应出的标准正弦曲线可以准确地验证本文所采用的控制策略的正确性。

图9为MPPT 中直流端电压Vdc 的仿真图。从图中可以看出在一个周期内直流端电压达到稳态。图10为Id Iq 的仿真图，图中Iq 一直近乎保持在0，说明本文所搭建的仿真模型能够保持较好的单位因数并网。

图11为光伏阵列的输出功率和并网逆变器的输出功率，从图中可以看出光伏阵列和并网逆变器的输出功率非常近似。

4 结论

本文首先对光伏阵列和最大功率点追踪的原理进行了介绍，然后建立了光伏阵列的仿真模型，通过Boost电路与电导增量法来实现光伏并网的MPPT 控制。搭建了MPPT仿真模型，通过对光伏并网逆变器的控制策略的分析和运用，最后完整地建立了一个两级式三相光伏并网系统模型，并通过仿真验证了本系统控制策略的正确性且具有较好的动态性能，为后续的光伏并网的相关研究提供了有力支持。

作者简介：缑新科（1967—），男，教授，硕士生导师，副主任，主任，甘肃省电机工程学会会员，西北地区高校电子技术研究会副理事长，全国高等学校电子技术研究会理事。研究方向为智能结构及其动力学系统控制。

张明鑫（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电能质量。

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参考文献

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[2] 孙自勇，宇航，严干贵，等.基于PSCAD的光伏阵列和MPPT控制器的仿真模型[J].电力系统保护与控制，2009，37（19）：61-64.

[3] 赵平，严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究[J].电气技术，2009（3）：41-44.

[4] 周念成，闫立伟，王强刚.光伏发电在微电网中接入及动态特性研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（14）：119-127.

[5] 李翠霞.光伏发电系统控制器的研究[D].天津：天津大学，2009.

[6] 全凤丽.并网光伏电站引起的电压波动与闪变的研究[D].西安：西安交通大学，2011.

[7] 黄瑶，黄洪全.电导增量法实现光伏系统的最大功率点跟踪控制[J].现代电子技术，2008，31（22）：18-19.

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