基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并网系统的建模与仿真

杨 秀，杨 菲，宗 翔，王瑞霄

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

太阳能作为一种可再生能源，在能源危机和生态环境不断恶化的情况下，越来越受到重视，太阳能光伏产业是目前世界上增长速度最快、最稳定的领域之一［1］.凭借着各国快速发展的屋顶计划、各种减免税政策、补贴政策，以及逐渐稳定的绿色电力价格，太阳能光伏产业将向百兆瓦级规模和更高的技术水平发展.随着分布式光伏并网电站的容量越来越大，其输出功率的波动对电网的影响也日趋明显［2］.研究光伏电池的输出特性、在温度和光照变化时的最大功率输出，以及并网控制效果等，是使光伏发电能够大规模应用并逐步代替传统能源发电的重要技术基础.

1 光伏电池的仿真模型

光伏电池实际上就是一个大面积平面二极管，其工作原理可以用单二极管等效电路来描述［3］.而在实际应用中，光伏生产厂家只为用户提供标准情况下的短路电流Isc，开路电压Uoc，最大功率点电流Im，最大功率点电压Um，最大功率Pm.因此，需要在保证精度的前提下，得到一般工况下的工程计算方法［4］.

考虑太阳能辐射的变化和温度影响，根据式(1)有:

式中:Gref，Tref——太阳辐射和光伏电池温度，参考值取为 1 000 W/m2，25°C;

α——在参考日照下的电流变化温度系数，Amps/℃;

β——在参考日照下的电压变化温度系数，V/℃.

在PSCAD/EMTDC下，根据上述数学模型搭建光伏电池的仿真模块.通过改变温度和光照强度的输入参数，得到光伏电池的功率-电压(P-U)曲线，如图1所示.

从图1中可以看出，光伏电池的输出特性具有非线性的特点［5］.光照强度越高，光伏电池的输出功率越大，而温度升高时，光伏电池的输出功率则会下降.

在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池能够在不同的电压(电流)状态中工作，但是只有某一特定的电压(电流)，可以使光伏电池的输出功率达到最大值，而这时光伏电池的工作点达到P-U曲线的最高点，即最大功率点.在光伏发电系统中，若要提高系统的整体效率，就必须实时寻求光伏电池的最佳工作状态，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT).

图1 光伏电池输出的典型P-U曲线

2 光伏系统的最大功率跟踪算法及实现

光伏系统的最大功率跟踪是通过检测光伏电池在不同工作点下的输出功率，经过比较寻优，从而找到光伏电池在确定光照和温度条件下输出最大功率时对应的工作电压.由于跟踪准确性高，在环境快速变化的情况下，电导增量法具有良好的跟踪性能，因此被广泛采用.

电导增量法利用位于最大功率点时P-U曲线斜率为零的特点，推导出电导和电导变化率之间的关系，以判断工作电压是否在最大功率点处，进而调节一个很小的变化阈值，使光伏电池稳定在最大功率点的邻域内.具体方法如下［6］:

光伏电池的瞬时输出功率为:

式(8)两边对U求导，则有:

设U(n)和I(n)分别是光伏电池阵列当前检测到的电压和电流值，U(n－1)和I(n－1)分别是上一采样时间的电压和电流采样值，dU近似等于U(n)－U(n－1)，dI近似等于 I(n)－I(n－1).

一般情况下，光伏电池的输出电压低于电网电压的峰值，因此要先将光伏电池输出的直流电经过DC/DC升压(Boost)电路升压后再输出给逆变器，从而形成交流电并入电网［7］.本文采用的MPPT控制是通过前级Boost电路实现的，其结构如图2所示.

图2 MPPT控制实现结构

将光伏电池的输出电压和电流送入包含有MPPT算法的控制器，并将计算出的电压指令Uref与光伏电池的输出电压Upv进行比较，经过PI环节形成输入电压的闭环控制，最后输出PWM驱动信号来控制Boost电路，从而调节光伏电池的输出电压.

3 光伏并网逆变控制

3.1 三相光伏并网系统的结构

典型的两级式三相光伏系统主要包含光伏电池、Boost电路、三相逆变器、LC滤波器和电网.前级为直流升压，后级为并网逆变.前级电路中，逆变部分负责将直流转换成与电网同频同相的交流电，经隔离变压器并入中低压电网的公共连接点(PCC).

3.2 基于旋转坐标系下的并网控制策略

光伏发电系统的输出具有明显的间歇性，不能要求其按照负荷的需求量发电，因此光伏系统并网时通常采用功率(PQ)控制策略，使发电量始终为光伏系统能输出的最大功率.PQ控制主要包含外环功率控制和内环电流控制.

为了实现PQ解耦控制，将abc三相的交流电气量转换成dq0坐标系下的直流量，同时由锁相环跟踪电网频率，为dq变换提供参考频率.电网电压u经dq变换得ud=um，uq=0，则旋转坐标系下功率可表示为:

因此，对功率的控制可以转换为对电流的控制，其中有功功率由d轴电流控制，无功功率由q轴电流控制.由式(11)计算得到d轴和q轴的参考电流值作为电流环的输入，电流控制环中包含电流状态反馈以及电网电压前馈补偿两项.输出的dq轴电压经过反变换后得到正弦调制信号，再通过SPWM控制三相逆变桥开断，从而得到与电网同频同相的电压信号，将其并入电网.该电流环控制原理见图3.

图3 电流环控制原理

iLd和iLq分别是变换到d轴和q轴的实际流入电网的电感电流，L是滤波电感.为了实现电流的独立解耦控制，就要考虑耦合电压iLωL和电网电压u对d轴和q轴电流的影响.电流状态反馈(iLdωL和iLqωL)和电网电压前馈补偿的引入不仅实现了电流的解耦控制，也减少了电网电压扰动对控制系统的影响.

PI控制器的作用是根据差量进行调节，产生零稳态误差，以补偿非线性扰动.在电流环PI调节过程中，使电流控制误差为零，从而保证输出电压及时跟踪电网电压，同时使得输出电流更接近正弦波，以便于对有功功率和无功功率进行控制，使DG具有灵活运行的能力［8］.

考虑到光伏并网系统的输出功率不能任意设置，而是取决于温度和光照强度对光伏电池的影响，因此在不考虑损耗的理想条件下，将光伏电池经过MPPT控制后的最大输出功率作为控制环的输入Pref.在实际应用中，只希望光伏系统向电网输送有功功率，因此无功功率参考值Qref=0(功率因数cosθ=1)，系统的PQ控制结构见图4.

图4 光伏系统PQ控制结构

4 PSCAD仿真与分析

根据上述光伏电池模型、最大功率跟踪控制原理及PQ并网控制策略，在PSCAD/EMDTC下搭建最大额定功率为2.5 kW的三相光伏系统，通过变比为0.4∶10的变压器接入10 kV母线，仿真结果及分析如下.

光伏阵列表面温度保持在25℃，光照强度为2 s时由1 000 W/m2减小到600 W/m2，在4 s时增大到1 200 W/m2，仿真时间为6 s，仿真步长为10 μs.光伏阵列的P-U输出曲线如图5所示.

图5 光照变化下光伏阵列的P-U曲线

由图5可以看出，光伏阵列开始工作在1 000 W/m2条件下，当光伏系统在光照强度发生阶跃变化时，MPPT控制模块能够寻找到该光照条件下对应的最大功率点，并始终工作在该最大功率点附近.

光照强度发生阶跃变化时，光伏系统输出有功和无功功率的曲线如图6所示.图6a为光照强度的阶跃变化曲线.图6b为光伏系统在阶跃扰动下的有功功率响应，其中P曲线为光伏电池的输出功率，可以看出光伏电池本体响应速度较快，且输出功率曲线光滑平稳;P'曲线为经过逆变器后输出的实际功率.在标准情况下，两者基本达到最大功率2.5 kW，由于逆变器本身和滤波器的损耗，P'值相对于光伏电池的输出功率P值稍低，且有小幅波动，光照条件发生变化时，能够在较短时间内跟踪光伏电池的输出功率P值.图6c为逆变器输出的无功功率曲线，可以看出:在稳态运行时，系统始终保持输出为零，在扰动影响下也能较快恢复，光照强度的变化对无功功率的输出影响不大，实现了功率因数为1的功率解耦控制.

图6 光照强度的变化及光伏系统的输出功率曲线

当太阳光照强度始终保持在1 000 W/m2，温度在2 s时从25℃降低到10℃，在4 s时又升高到40℃，仿真时间和步长与上一组仿真相同，光伏阵列的P-U曲线如图7所示.

图7 温度变化下光伏阵列的P-U曲线

由图7可以看出，光伏电池在温度变化时也能很快找到该温度条件下对应的最大功率点，并始终工作在最大功率点附近.

当温度发生阶跃变化时，光伏系统输出有功功率和无功功率的曲线如图8所示.由图8可以看出，逆变器很好地跟踪了光伏阵列的最大输出功率.当温度升高时，光伏的出力下降，并且相对于光照强度改变时，有功功率的变化范围较小，无功功率在阶跃扰动下的变化较小，能够快速地恢复到设定值(零).

图8 温度变化下输出有功和无功功率的曲线

4 结语

本文介绍了基于工程计算的光伏阵列模型、具有最大功率跟踪功能的Boost电路，以及含PQ解耦的逆变器控制，实现了三相太阳能光伏发电并网系统的整体建模，最后对该仿真模型进行了仿真分析.仿真结果表明，在温度和光照强度的扰动下，系统的输出性能良好，能够实现最大功率跟踪.本仿真研究可为实际系统设计及控制系统的改进提供参考.

［1］RAJAPAKSE Athula.Simulation of grid connected photovoltaic systems［N］.Pulse，2008，10.https://pscad.com/library/pulse_newsletters/.

［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］茆美琴，余世杰，苏建徽.带有 MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型［J］.系统仿真学报，2005，17(5):1 248-1 251.

［4］CARMELI M S，DEZZA F Castelli.Advanced control strategy for PQ improvement in PV systems without energy storage device［C］//International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives，Automation and Motion，2008:128-132.

［5］雷家宁.三相光伏并网发电系统研究［D］.长沙:长沙理工大学，2010.

［6］王阳，鲁宗相，闵勇.微电网中微电源接口仿真模型的研究与比较［J］.电力系统自动化，2010，34(1):85-93.

［7］杨文杰.光伏发电并网与微电网运行控制仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2010.