基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并網系統的建模與仿真

楊 秀，楊 菲，宗 翔，王瑞霄

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

太陽能作為一種可再生能源，在能源危機和生態環境不斷惡化的情況下，越來越受到重視，太陽能光伏產業是目前世界上增長速度最快、最穩定的領域之一［1］.憑借著各國快速發展的屋頂計劃、各種減免稅政策、補貼政策，以及逐漸穩定的綠色電力價格，太陽能光伏產業將向百兆瓦級規模和更高的技術水平發展.隨著分布式光伏并網電站的容量越來越大，其輸出功率的波動對電網的影響也日趨明顯［2］.研究光伏電池的輸出特性、在溫度和光照變化時的最大功率輸出，以及并網控制效果等，是使光伏發電能夠大規模應用并逐步代替傳統能源發電的重要技術基礎.

1 光伏電池的仿真模型

光伏電池實際上就是一個大面積平面二極管，其工作原理可以用單二極管等效電路來描述［3］.而在實際應用中，光伏生產廠家只為用戶提供標準情況下的短路電流Isc，開路電壓Uoc，最大功率點電流Im，最大功率點電壓Um，最大功率Pm.因此，需要在保證精度的前提下，得到一般工況下的工程計算方法［4］.

考慮太陽能輻射的變化和溫度影響，根據式(1)有:

式中:Gref，Tref——太陽輻射和光伏電池溫度，參考值取為 1 000 W/m2，25°C;

α——在參考日照下的電流變化溫度系數，Amps/℃;

β——在參考日照下的電壓變化溫度系數，V/℃.

在PSCAD/EMTDC下，根據上述數學模型搭建光伏電池的仿真模塊.通過改變溫度和光照強度的輸入參數，得到光伏電池的功率-電壓(P-U)曲線，如圖1所示.

從圖1中可以看出，光伏電池的輸出特性具有非線性的特點［5］.光照強度越高，光伏電池的輸出功率越大，而溫度升高時，光伏電池的輸出功率則會下降.

在一定的光照強度和環境溫度下，光伏電池能夠在不同的電壓(電流)狀態中工作，但是只有某一特定的電壓(電流)，可以使光伏電池的輸出功率達到最大值，而這時光伏電池的工作點達到P-U曲線的最高點，即最大功率點.在光伏發電系統中，若要提高系統的整體效率，就必須實時尋求光伏電池的最佳工作狀態，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程稱為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT).

圖1 光伏電池輸出的典型P-U曲線

2 光伏系統的最大功率跟蹤算法及實現

光伏系統的最大功率跟蹤是通過檢測光伏電池在不同工作點下的輸出功率，經過比較尋優，從而找到光伏電池在確定光照和溫度條件下輸出最大功率時對應的工作電壓.由于跟蹤準確性高，在環境快速變化的情況下，電導增量法具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用.

電導增量法利用位于最大功率點時P-U曲線斜率為零的特點，推導出電導和電導變化率之間的關系，以判斷工作電壓是否在最大功率點處，進而調節一個很小的變化閾值，使光伏電池穩定在最大功率點的鄰域內.具體方法如下［6］:

光伏電池的瞬時輸出功率為:

式(8)兩邊對U求導，則有:

設U(n)和I(n)分別是光伏電池陣列當前檢測到的電壓和電流值，U(n－1)和I(n－1)分別是上一采樣時間的電壓和電流采樣值，dU近似等于U(n)－U(n－1)，dI近似等于 I(n)－I(n－1).

一般情況下，光伏電池的輸出電壓低于電網電壓的峰值，因此要先將光伏電池輸出的直流電經過DC/DC升壓(Boost)電路升壓后再輸出給逆變器，從而形成交流電并入電網［7］.本文采用的MPPT控制是通過前級Boost電路實現的，其結構如圖2所示.

圖2 MPPT控制實現結構

將光伏電池的輸出電壓和電流送入包含有MPPT算法的控制器，并將計算出的電壓指令Uref與光伏電池的輸出電壓Upv進行比較，經過PI環節形成輸入電壓的閉環控制，最后輸出PWM驅動信號來控制Boost電路，從而調節光伏電池的輸出電壓.

3 光伏并網逆變控制

3.1 三相光伏并網系統的結構

典型的兩級式三相光伏系統主要包含光伏電池、Boost電路、三相逆變器、LC濾波器和電網.前級為直流升壓，后級為并網逆變.前級電路中，逆變部分負責將直流轉換成與電網同頻同相的交流電，經隔離變壓器并入中低壓電網的公共連接點(PCC).

3.2 基于旋轉坐標系下的并網控制策略

光伏發電系統的輸出具有明顯的間歇性，不能要求其按照負荷的需求量發電，因此光伏系統并網時通常采用功率(PQ)控制策略，使發電量始終為光伏系統能輸出的最大功率.PQ控制主要包含外環功率控制和內環電流控制.

為了實現PQ解耦控制，將abc三相的交流電氣量轉換成dq0坐標系下的直流量，同時由鎖相環跟蹤電網頻率，為dq變換提供參考頻率.電網電壓u經dq變換得ud=um，uq=0，則旋轉坐標系下功率可表示為:

因此，對功率的控制可以轉換為對電流的控制，其中有功功率由d軸電流控制，無功功率由q軸電流控制.由式(11)計算得到d軸和q軸的參考電流值作為電流環的輸入，電流控制環中包含電流狀態反饋以及電網電壓前饋補償兩項.輸出的dq軸電壓經過反變換后得到正弦調制信號，再通過SPWM控制三相逆變橋開斷，從而得到與電網同頻同相的電壓信號，將其并入電網.該電流環控制原理見圖3.

圖3 電流環控制原理

iLd和iLq分別是變換到d軸和q軸的實際流入電網的電感電流，L是濾波電感.為了實現電流的獨立解耦控制，就要考慮耦合電壓iLωL和電網電壓u對d軸和q軸電流的影響.電流狀態反饋(iLdωL和iLqωL)和電網電壓前饋補償的引入不僅實現了電流的解耦控制，也減少了電網電壓擾動對控制系統的影響.

PI控制器的作用是根據差量進行調節，產生零穩態誤差，以補償非線性擾動.在電流環PI調節過程中，使電流控制誤差為零，從而保證輸出電壓及時跟蹤電網電壓，同時使得輸出電流更接近正弦波，以便于對有功功率和無功功率進行控制，使DG具有靈活運行的能力［8］.

考慮到光伏并網系統的輸出功率不能任意設置，而是取決于溫度和光照強度對光伏電池的影響，因此在不考慮損耗的理想條件下，將光伏電池經過MPPT控制后的最大輸出功率作為控制環的輸入Pref.在實際應用中，只希望光伏系統向電網輸送有功功率，因此無功功率參考值Qref=0(功率因數cosθ=1)，系統的PQ控制結構見圖4.

圖4 光伏系統PQ控制結構

4 PSCAD仿真與分析

根據上述光伏電池模型、最大功率跟蹤控制原理及PQ并網控制策略，在PSCAD/EMDTC下搭建最大額定功率為2.5 kW的三相光伏系統，通過變比為0.4∶10的變壓器接入10 kV母線，仿真結果及分析如下.

光伏陣列表面溫度保持在25℃，光照強度為2 s時由1 000 W/m2減小到600 W/m2，在4 s時增大到1 200 W/m2，仿真時間為6 s，仿真步長為10 μs.光伏陣列的P-U輸出曲線如圖5所示.

圖5 光照變化下光伏陣列的P-U曲線

由圖5可以看出，光伏陣列開始工作在1 000 W/m2條件下，當光伏系統在光照強度發生階躍變化時，MPPT控制模塊能夠尋找到該光照條件下對應的最大功率點，并始終工作在該最大功率點附近.

光照強度發生階躍變化時，光伏系統輸出有功和無功功率的曲線如圖6所示.圖6a為光照強度的階躍變化曲線.圖6b為光伏系統在階躍擾動下的有功功率響應，其中P曲線為光伏電池的輸出功率，可以看出光伏電池本體響應速度較快，且輸出功率曲線光滑平穩;P'曲線為經過逆變器后輸出的實際功率.在標準情況下，兩者基本達到最大功率2.5 kW，由于逆變器本身和濾波器的損耗，P'值相對于光伏電池的輸出功率P值稍低，且有小幅波動，光照條件發生變化時，能夠在較短時間內跟蹤光伏電池的輸出功率P值.圖6c為逆變器輸出的無功功率曲線，可以看出:在穩態運行時，系統始終保持輸出為零，在擾動影響下也能較快恢復，光照強度的變化對無功功率的輸出影響不大，實現了功率因數為1的功率解耦控制.

圖6 光照強度的變化及光伏系統的輸出功率曲線

當太陽光照強度始終保持在1 000 W/m2，溫度在2 s時從25℃降低到10℃，在4 s時又升高到40℃，仿真時間和步長與上一組仿真相同，光伏陣列的P-U曲線如圖7所示.

圖7 溫度變化下光伏陣列的P-U曲線

由圖7可以看出，光伏電池在溫度變化時也能很快找到該溫度條件下對應的最大功率點，并始終工作在最大功率點附近.

當溫度發生階躍變化時，光伏系統輸出有功功率和無功功率的曲線如圖8所示.由圖8可以看出，逆變器很好地跟蹤了光伏陣列的最大輸出功率.當溫度升高時，光伏的出力下降，并且相對于光照強度改變時，有功功率的變化范圍較小，無功功率在階躍擾動下的變化較小，能夠快速地恢復到設定值(零).

圖8 溫度變化下輸出有功和無功功率的曲線

4 結語

本文介紹了基于工程計算的光伏陣列模型、具有最大功率跟蹤功能的Boost電路，以及含PQ解耦的逆變器控制，實現了三相太陽能光伏發電并網系統的整體建模，最后對該仿真模型進行了仿真分析.仿真結果表明，在溫度和光照強度的擾動下，系統的輸出性能良好，能夠實現最大功率跟蹤.本仿真研究可為實際系統設計及控制系統的改進提供參考.

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

［2］孫自勇，宇航，嚴干貴，等.基于 PSCAD的光伏陣列和MPPT控制器的仿真模型［J］.電力系統保護與控制，2009，37(19):61-64.

［3］茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有 MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統仿真學報，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］雷家寧.三相光伏并網發電系統研究［D］.長沙:長沙理工大學，2010.

［6］王陽，魯宗相，閔勇.微電網中微電源接口仿真模型的研究與比較［J］.電力系統自動化，2010，34(1):85-93.

［7］楊文杰.光伏發電并網與微電網運行控制仿真研究［D］.成都:西南交通大學，2010.