光伏电源PQ控制策略及小信号稳定性研究

    罗继东+刘润泽+邹梦丽+王建平

    

    

    

    摘 要：设计者根据光伏电源的数学模型，建立了光伏电源仿真模型。为了提高光伏阵列的利用效率，文章针对三相光伏发电并网系统，从PQ控制原理入手，在dq坐标系下建立了仿真模型，通过仿真得出PQ控制下的三相光伏发电并网运行特性，并建立小信号数学模型，通过建立小信号模型证明了仿真模型的正确性和有效性。

    关键词：光伏电源；并网；PQ控制策略；小信号稳定性

    随着传统能源的日益枯竭，太阳能已成为极具发展潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一[1]。目前所使用的光伏发电的方式有独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。其中，光伏并网发电系统不仅能够有效利用光能，而且还能灵活控制输出功率以适应用户端的供电需求。因此，使用光伏微电网并网的发电方式更受欢迎。但是，这种发电方式之所以没有大量普及是因为它还存在一些问题，其中最重要的是微电网的稳定性问题，包括光伏微电网本身的稳定性和微电网的并网稳定性。

    新疆南疆区域太阳能资源丰富，全年日照时数为3 200～3 300 h。在每平方米面积上一年接受的太阳辐射总量为6 680～8 400 MJ，相当于225～285 kg标准煤燃烧所发出的热量[2-3]。结合新疆南疆区域客观的地理环境，文章通过深入调研和反复研究，了解南疆气候变化对光伏发电的影响，在建立光伏发电的Simulink环境下建立了新疆南疆区域光伏发电模型、对光伏微电网控制策略PQ进行了分析。并且根据仿真模型对三相光伏并网逆变器和光伏微电网系统进行仿真实验。在Matlab/Simulink环境下建立了新疆南疆区域光伏发电模型，对光伏微电网控制策略PQ进行了分析。并且根據仿真模型对三相光伏并网逆变器和光伏微电网系统进行仿真实验。

    1 PQ控制数学模型

    基于Matlab/Simulink建立三相光伏并网发电系统，光伏电池产生最初的电流，经过升压变换器后输出最大功率，然后经过逆变器将直流转换成三相交流，最后并入电网和电网一起为用户供电（用户端等效为负载RLC）。直流环节经三相逆变器并网，而逆变器输出端的电压以及电流频率由逆变器的控制策略决定，电压的幅值由逆变器输入端直流电压和逆变器控制策略共同决定。本文采用PQ控制策略的三相逆变器并网逆变器输出三相基波电压为U（电网电压），Um为相电压幅值，可以表示为：

    从静止abc坐标系到旋转dq坐标系的变换（称为Park变换，或dq变换）定义为 ：

    对un进行dq变换可得：

    可以看出三相静止abc坐标系下，三相电压是耦合的，而在旋转dq坐标系下，d轴分量和q轴分量没有耦合关系，并且ud为一个常数，uq=0[6]。

    逆变器输出电流i，dq变换得到d轴和q轴电流分别为id，iq。因为uq=0，所以当设定逆变器输出有功功率为Pref无功功率为Qref，则逆变器输出参考电流为：

    对逆变器输出功率的控制问题转化为对电流的控制问题，只要实现对参考电流iref的跟踪也就实现了对参考有功和无功的跟踪，其中有功功率P由id决定，无功功率Q由iq决定，这样就实现了三相有功和无功功率的解耦控制。根据上述分析建立PQ控制框图，如图1所示。通过功率的设定值来改变逆变器输出的有功功率P和无功功率Q。

    根据图1可知PQ[7]控制原理：在逆变器与电网连接线上测量电流和电压，并对测定的值进行dq变换，dq变换得到电压的d轴分量电压ud和q轴分量电压uq，电流的d轴分量电流id和q轴分量电流iq。根据有功功率的设定值Pref和无功功率的设定值Qref，以及电压ud，计算出电流的d轴分量设定值电流Id_ref，以及q轴分量设定值电流Iq_ref，并通过电流id和电流iq计算出电流变化量，然后经过PI控制，由于仿真的PI输入正是电流的变化也就是差分成分，那么经过比例积分之后正好就是电压，最后便得到了电压ud_ref以及电压uq_ref，将电压ud_ref和电压uq_ref经过dq逆变换后得到PWM所需的电压Uref，继而由PWM产生PWM信号控制逆变器工作，从而控制了逆变器的输出功率。

    2 光伏微电网稳定性分析

    建立小信号模型如图2所示，其中的PV Micro-Grid即为光伏微电网系统，多个光伏微电网系统作为分布式电源与大电网并网，同用户组一起组成了整个供电网络，这个模型也体现了微电网设计的初衷—实现多种能源、本地及远程能源、多组能源共同为用户组提供电能，并且在任何一个能源失效后其他能源能够继续供电，同时单个能源也能断网独立为某些用户组供电，真正实现灵活智能供电，从而适应各种供电环境。为了研究光伏微电网的小信号稳定性，这里只设置了3组光伏电源同大电网并网，来模拟整个电网的运转过程。3组光伏电源仿真参数如表1所示。

    图3—5分别为3个光伏微电网的输出功率波形图，由图可以看出当输出功率达到既定值后平衡，系统处于稳定状态，符合IEEE 1547（响应时间小于0.6 s，频率误差小于0.3 Hz，电压误差小于10%，相位误差小于20°）的标准。

    3 结语

    文章从光伏阵列的输出特性及其仿真模型入手，介绍了PQ控制策略理论，在dq坐标系下建立了仿真模型，通过仿真得出了PQ控制下的三相光伏发电并网运行特性，用PQ策略对逆变器稳定性进行了研究，使DC-DC部分中太阳能光伏阵列输出功率最大。通过仿真实验，在t=0.3 s 时，系统并网电流和电压能稳定地保持同频同相，太阳能光伏发电电池板输出功率增加，逆变器的输出功率稳定并且可控。PQ控制通过实验证明了PQ控制策略的有效性。表明PQ控制模型实现了有功和无功功率的解耦控制，通过小信号模型证明了仿真模型的正确性和有效性。仿真结果表明，此模型动态性能好，为光伏并网发电的进一步研究提供了有利基础。

    [参考文献]

    [1]崔红芬，汪春，叶季蕾，等.多接入点分布式光伏发电系统与配电网交互影响研究[J].电力系统保护与控制，2015（10）：91-96.

    [2]何颖.新疆光伏发电现状及发展对策[J].新能源及工艺，2004（4）：36-37.

    [3]吕绍勤，张华，冯刚.新疆太阳能资源及经济评价[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，1991.

    [4]苏建徽，余世杰，赵为，等.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001（4）：409-412.

    [5]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（5）：1248-1251.

    [6]杨毅男.安多100 kWp独立运行光伏发电系统暂态稳定性分析[D].北京：中国科学院研究生院，2003.

    [7]蒋拯.基于Matlab/Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真[J].电网与清洁能源，2013（29）：59-65.

    [8]韩培洁，张惠娟，李贺宝，等.微电网控制策略分析研究[J].电网与清洁能源，2012（10）：25.