裴金楠，付立思，任龙，吴硕

(1.沈阳农业大学 信息与电气工程学院，沈阳 110866；2.中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳 110043；3.辽宁装备职业技术学院，沈阳 110161)

0 引言

太阳是万物之源，太阳能是最原始、最永恒的能量，它不但清洁，而且取之不尽用之不竭，同时太阳能还是其他各种形式可再生能源的基础。随着科学技术的不断发展，以光伏发电并网为核心的光伏利用在全球未来能源结构中占有重要地位[1]，世界各国正在大力发展光伏并网发电技术。

我国光伏并网发电技术的研究还处于起步阶段，与欧美国家相比差距较大。目前，光伏并网发电系统在仿真建模、控制策略等方面已经取得一定成果，但都为简化的仿真建模。本文通过Matlab软件搭建了一个完整的光伏并网发电系统的仿真模型，通过仿真实验逐一验证模型的正确性。

1 光伏并网发电系统结构

本文研究的三相光伏并网发电系统分为两级，前级为DC/DC升压部分，后级为DC/AC部分，经逆变器后进行滤波，通过隔离变压器接入电网。 光伏并网发电系统要包括如下几个部分：光伏电池组件、Boost升压电路、控制逆变器、无源(LC)滤波器、隔离变压器和电网，如图1所示(图中：PWM为脉冲宽度调制；SVPWM为空间矢量脉冲宽度调制)。太阳能光伏电池作为可再生的分布式电源，向电力网络供电，通过前级Boost升压电路将直流母线电压升到大电网所要求的电压水平。受外界环境的影响，光伏电池发出的功率很不稳定，在前级直流升压电路上采用电导增量法来实现最大功率跟踪(MPPT)控制，从而提高光伏电池输出功率的转化率。后级逆变的控制是通过设定有功功率和无功功率参考值，提供给逆变器来进行控制，经LC滤波器(LC滤波器的设置参数参照文献[2])，最后通过隔离变压器进入电网。

图1 光伏并网系统结构

2 光伏发电系统建模

2.1 光伏电池模型

图2为光伏电池等效电路图，其原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。根据二极管特性和基尔霍夫定律[3],其输出电压和电流满足如下方程

(1)

式中：U为光伏电池输出电压；I为输出电流；Iph为光生电流；Rs和Rsh分别为光伏电池内部的等效串联电阻和并联电阻，Rs正常情况下不大于1 Ω，Rsh一般为几千欧姆；Ish为流过Rsh的电流；Ud，为二极管两端的电压；Id和Isd分别为流过二极管的电流和反向饱和电流；Ad为影响因子；T为热力学温度；q，k分别为电子电荷常数和玻尔兹曼常数，其值分别为1.6×10-19C和0.86×10-4eV/K。当光照强度Sref=1 000 W/m2、环境温度tref=25 ℃时，输出电流I为

图2 光伏电池等效电路图

(2)

(3)

C2=(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/Isc) ,

(4)

式中：Uoc为光伏阵列的开路电压；Isc为短路电流；Im和Um为光伏电池最大功率点的电流和电压。从式(3)和式(4)可以看出，在光伏电池参数Isc，Im，Uoc，Um已知时，C1和C2为定值。代入式(2)可以得出光伏电池的I-V特性。当外界环境(光照强度和环境温度)发生变化时，光伏电池中的参数会随之变化，可以通过式(5)～(10)获取当前状态下的光伏电池参数Isc_new,Im_new,Uoc_new,Um_new。

Δt=t-tref,

(5)

(6)

(7)

(8)

Uoc_new=Uoc[(1-cΔt)ln(e+bΔS)] ,

(9)

Um_new=Um[(1-cΔt)ln(e+bΔS)] ,

(10)

式中：a,b,c为补偿系数，其值参照文献[4]设定；S为当前状态下的光照强度；t为当前状态下的环境温度。

对通过上述公式搭建的光伏电池仿真模型进行参数修改，模拟多种光伏阵列，图3为环境温度为25 ℃时不同光照强度下光伏电池P-V特性的仿真分析曲线。从图3可以看出，光照强度分别为400，800，1 000 W/m2时,所对应的功率为35，75，100 kW，所对应的电压为315，365，385 V。仿真实验证明了该模型的正确性。

图3 光伏电池P-V曲线

2.2 最大功率跟踪控制

从光伏电池P-V特性曲线可以看出，输出的电压和电流为非线性关系。当光照强度和温度变化时，光伏电池的开路电压和短路电流很不稳定，因而使得系统工作点不确定，导致光伏发电系统的效率降低。所以，光伏电池必须通过MPPT控制才能使其在任何情况下都保持最大输出功率。MPPT的控制算法主要有定电压跟踪法、扰动观察法、功率反馈法、电导增量法及最优梯度法等。

本文采用电导增量法，该算法实现过程容易，能量损耗小，控制精度高,响应速度较快,适合于大气条件变化较快的场合。电导增量法是通过比较光伏电池的电导增量和瞬时电导来改变控制信号，这种方法也需要对光伏的电压和电流进行采样[5]。由光伏电池的P-V曲线可知，最大输出功率Pmax处的斜率为零，即

(11)

(12)

通过式(11)、式(12)可以得到表1所列判据。

表1 光伏阵列达到最大功率点的条件

图4为电导增量法的控制流程图，图中：Un,In为光伏电池的电压、电流检测值；Ub,Ib为前一个控制周期的采样值。这种控制方法的最大优点是光照强度发生变化时,光伏电池能以稳定的方式跟踪其变化，且暂态振荡也比较小。

图4 电导增量法流程图

2.3 逆变器控制策略

为使光伏电池所产生的直流电源逆变成交流电与大电网相连接输出给负载，就必须对逆变器的输出波形进行实时跟踪控制，才能使逆变器的输出电压波形、幅值及相位与大电网一致。本文采用恒功率(PQ)控制方法，该方法通过设定微源原动机的有功参考值来调节有功功率，并通过直流电压控制器进行辅助调节，而无功功率按照参考值进行控制[6]。逆变器控制框图如图5所示，Pset-point为光伏电池发出的有功功率参考值，由于原动机本身具有功率调节作用，所以光伏电池按照参考值来输出有功功率，并通过PI1控制器调节有功电流，使直流电压Udc和光伏电池的有功功率保持恒定输出。无功功率输出是测量电网中的电压U和电流I，经过计算得到无功功率Q，将无功功率参考值Qref与计算得到Q进行比较，并通过PI2调节器调节逆变器端口输出无功电流的大小，以实现无功功率的控制[7]。

图5 PQ控制框图

3 仿真结果与分析

本文通过Matlab/Simulink 设计出了完整的三相光伏并网系统的仿真模型，如图6所示[8-12]。仿真光伏阵列由2行8列的光伏模组串并联组成，仿真系统参数设定见表2。

图6 光伏并网发电系统仿真图

表2 仿真系统参数设置

图7为光伏电池在光伏并网发电系统中的输出功率和输出电压的仿真结果。由图7可知，光照强度变化时，在相应的外界环境下其输出电压能够快速且准确地跟踪到最大功率点，并实现平稳的功率输出。由此验证了本文开发的MPPT控制模块的正确性。

图7 光伏电池输出功率与输出电压

光伏电池经Boost电路后的直流母线电压的仿真结果如图8所示，光照强度变化时，光伏并网系统逆变器的控制模块能够迅速调节直流母线上的电压，使其稳定在参考电压750 V，调节过程动态性能较好。

电网电压和逆变器输出的A相电流波形如图9所示，由于波形较小，所以截取其中一部分并放大20倍。由图9可以看出，逆变器输出的电流能够快速准确地跟踪大电网电压成功实现并网，且当光照变化时，光伏电池经过逆变器输出的并网电流与电网电压相位完全相同。

图8 直流母线输出电压

图9 电网电压和并网电流

电压源型逆变器输出有功功率的仿真结果如图10所示，当光照强度变化时，逆变器的输出功率能够快速稳定地跟踪光伏电池发出的功率。仿真模型中，功率因数为99.8%，转化的谐波含量少，由图11可以看出，A相电流的总谐波失真(THD)值保持在0.5%左右。

图10 逆变器输出有功功率

图11 A相电流的THD值

4 结论

本文建立了一个两级式三相光伏并网发电系统的仿真模型，并验证了各个元件的有效性。仿真结果表明，当光照强度发生变化时，采用电导增量的控制方法能够快速准确地跟踪系统最大功率输出，但是调节过程中存在一些振荡，还需进一步改进。采用该控制方法能使直流母线电压稳定在750 V左右，并网逆变器输出电流相位和大电网电压相位保持一致，动态响应速度快，功率因数大。

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