光伏發電PQ控制建模與仿真

史 泓，劉國巍,宋 飛，張 強

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232000)

1 引言

隨著全球工業迅速的發展，全球變暖問題日益突出，相對于傳統的不可再生能源所造成的污染，尋找可再生的新能源來代替傳統能源被迫切提上日程，使得以可再生能源為主的分布式發電技術發展較為迅速。新能源是21世紀最具有發展前景的能源[1～4]，隨著社會的不斷發展，新能源將逐漸成為人類的主流能源。然而光伏發電是大規模利用太陽能的主要形式和發展方向，目前光伏發電技術逐漸成熟，全球范圍內已經建立起很多光伏發電基地，光伏發電[5]將是未來地球上很多國家重點發展的領域。

為了提高光伏電池的利用率，本文分析了光伏電源并網PQ控制方法的原理，并根據該原理在MATLAB/SINMULINK中進行了建模和仿真。

2 PQ控制方法原理

根據當前微網逆變器及其控制的研究，PQ控制即有功、無功給定控制[6，7]，在新能源微電源并網運行方面運用廣泛且成熟可靠。PQ控制法是對微電源有功功率輸出值和無功功率輸出值進行給定值來實現其控制目的，達到讓系統保持穩定運行的目的，其方法原理如圖1所示。

圖1 PQ控制方法原理

大電網電壓Ugk表達式為：

(1)

式(1)中，Uik是逆變器濾波后的線路電壓，Ll是線路電感，Rl是線路電阻,ilk是采樣電流。

將式(1)從abc坐標系轉換為dq坐標系后,可表示為：

(2)

式(2)中，Ugd是Ugk在d軸是的分量，Ugq則為q軸分量。Uid和Uiq分別是dq坐標系下的逆變器輸出電壓分量。ild是有功電流分量，ilq是無功電流分量。

在dq坐標系中，逆變器輸出功率表示為：

(3)

Ugk經由abc坐標系轉換為dq坐標系后，Ugd則為一常數，Ugq=0。其輸出功率則可表示為：

(4)

式(4)中，Pref和Qref分別是是dq坐標下有功參考量和無功參考量。

因此可以得到dq坐標系下內環電流參考值：

(5)

定義：

(6)

式(5)、(6)中，igq_ref和igd_ref分別是dq坐標下的電流參考量。Umd和Umq分別是dq坐標下的瞬時分量。

將(6)代入(2)可得：

(7)

式(7)中，-ωLlilq和-ωLlild是電流狀態反饋。

根據式(5)、(7)式可設計PQ控制器如圖 2所示。

根據以上原理可以通過MATLAB搭建模型，如圖 3、圖4所示的鎖相環與dq變換模型和實時功率計算模型。

根據PQ控制原理，可以通過MATLAB搭建微電源并網仿真模型，如圖5所示。

通過已經搭建的模型可實現仿真實驗，即有功、無功給定值的分配在不同的時間內進行給定，模型仿真參數如表1所示。

圖2 P/Q控制器仿真模型

圖3 鎖相環與dq變換模型

圖4 實時功率計算模型

2 仿真結果分析

如圖6所示，在0～0.15 s內，在分布式電源并網系統中，微電源的有功功率輸出值是10 kW，無功功率輸出值是0 kVar；在0.15～0.3內，微電源的有功功率輸出值是15 kW，無功功率輸出值是-5 kVar。該微電源的參考有功功率和無功功率是通過PQ控制來實現有效的跟蹤。同時，從圖7可以得知，網側電流會因為功率的變化而改變，而功率的變化對網側電壓沒有影響。微電源的功率變化前電流和電壓是同頻同相的，而其功率變化之后電壓和電流則不同頻同相了。根據圖8可知，經過對并網電流諧波的處理分析，可以得到THD=2.3%。所以分布式電源并網系統對電壓和頻率變化的要求是可以通過PQ控制來實現的。

圖5 微電源并網仿真模型

表1 系統參數設計

圖6 有功和無功功率的輸出波形

圖7 A相電壓和電流

圖8 Ia_THD波形

3 結論

本文對PQ控制的原理進行了詳細地推導與分析，依據其原理可以通過MATLAB搭建仿真模型，然后，通過讓有功和無功功率給定值在不同的時間段內發生變化，再運行仿真模型，可知仿真模型的結果檢驗了PQ控制具備迅速的動態響應能力，能夠實時根據有功、無功的給定產生正確的輸出值，結果證明了無功與有功的解耦控制可以通過PQ控制來實現，并且測得THD畸變較小，并網電流質量滿足并網要求，所以驗證了此仿真模型的可行性和正確性。