光伏阵列三相并网仿真模型

翟津川，黄梅

（北京交通大学电气工程学院，北京100044）

随着化石能源的逐步消耗，能源危机已经展现在人类的面前。在21世纪初进行的关于世界能源储量的调查显示：石油可采量为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年，化石能源的可采量屈指可数。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不生产或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能量补充，又是未来能源结构的基础。开发利用太阳能具有重大的战略意义[1]。

目前，太阳能光伏发电的趋势已经由小型独立发电向大型并网系统发展，由于太阳能的波动性和随机性，光伏电站输出的电能波动很大，随着这种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不容忽视。这就需要在光伏并网发电系统的动态特性上进行研究，建立当太阳能辐射强度、环境温度变化时，光伏发电系统的动态仿真模型，改变以往按照准稳态理论对系统进行建模[2]。本文基于Matlab/Simulink仿真工具，通过光伏阵列的数学模型，建立光伏阵列的仿真模型，该模型考虑了环境温度、太阳辐射强度、光伏阵列串并联数、光伏模块参数对I-V和P-V特性的影响，并考虑光伏阵列系统的最大功率点跟踪（MPPT）功能和光伏阵列三相并网的实现。

1 光伏阵列仿真模型

在光伏发电系统设计过程，为了更好分析光伏阵列的电性能，使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则可为工作与各种条件的各种类型的光伏阵列建立起数学模型。通过这些数学关系反映光伏阵列各项参数的变化规律。这里所用的数学模型[3-4]为：

设在任意太阳辐射强度R，（W·m-2）和环境温度T，℃条件下，Isc为短路电流，Voc为开路电压，Im为最大功率点电流，Vm为最大功率点电压，当光伏阵列电压为V，其对应的电流I为：

式中，Rref为太阳辐射温度参考值，一般取值为1 km/m-2；Tref为光伏阵列温度参考值，一般取值为25℃；α为在参考日照下，电流变化温度系数（A/℃）；β为在参考日照下，电压变化温度系数（V/℃）；Rs为光伏模块的串联电阻（Ω）；R为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射；tc为太阳池板的温度系数。

基于上述的数学模型，在Matlab环境下，利用Simulink工具建立光伏阵列仿真模，如图1所示，实时求解任意太阳辐射、环境温度下太阳电池的电压和电流，其中T为实时环境温度，R为实时太阳辐射强度，Vpv为光伏阵列工作电压，Iout为光伏阵列输出电流，最后把仿真模块进行封装，用户可方便更改参数。

图1 太阳池板的仿真模型Fig.1 Simulation model of solar pool panels

这里采用的光伏阵列是Solon AG公司生产的P200池板，单体功率为200 W，单块太阳池板的开路电压为53 V，短路电流为5 A，最大功率点电压为44.4 V，最大功率点电流为4.5 A，内阻为0.217 Ω，为了达到40 kW的容量，进行10串2并，使太阳池板的开路电压为530 V，短路电流为90 A，最大功率点电压为444 V，最大功率点电流为45 A。

2 最大功率点跟踪（MPPT）的实现

目前使用的光伏阵列最大功率点跟踪（MPPT）方法主要有恒电压法、扰动观察法、电导增量法以及其他跟踪方法[5-7]。

恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般光伏阵列系统可多获得20%的电能，然而恒电压法忽略了光伏阵列电池温度对光伏阵列最大功率点的影响，其带来的功率相比较微电子器件的降价和微电子技术的发展，已经显得很不经济了。扰动观察法[8-9]的最大优点就是结构点单、被测参数少、容易实现，但是光伏阵列只能在最大功率点附近振荡运行，导致一定的功率损耗，跟踪步长对跟踪精度和跟踪速度无法兼顾，在外部环境突然变化时会出现误判现象。

所用光伏阵列采用增量电导法[8]是由K.H.Hussein在1995年提出，由光伏阵列输出电气特性知，光伏阵列的输出功率-电压（P-V）曲线是一个单峰曲线，在功率最大处，功率对电压的导数为零，所以有：

最大功率点左边dP/dV＞0，最大功率点右边dP/dV＜0。

光伏阵列工作在最大功率点的条件是：输出电导的变化量等于输出电导的负值，若不相等，则要判断dP/dV是大于0还是小于0。电导增量法的控制流程图如图2所示。图2中，Vn和In分别为检测到的当前太阳能电池阵列电压值和电流值，Vb和Ib分别为上一控制周期光伏阵列电压值和电流值。

图2 增量电导法流程图Fig2.Flow chat of incremental conductance method

通过电导增量法的流程图，用Simulink建立起MPPT的仿真模块，如图3所示。

3 光伏阵列三相并网的实现

所用并网逆变器为三相电压型PWM整流器结构[10]，电路参数为：电网电压为380 V，滤波电感为0.8 mH，滤波电容为30 μF，直流侧电压要大于交流侧线电压峰值537 V，所以取直流侧电压给定值为600 V。并网逆变器采用电网电压定向矢量控制方法，对直流电压和交流电流进行双闭环控制，其控制目标为：

1）保证直流侧电压恒定；

2）保证网侧单位功率因数运行；

3）保证网侧电流为正弦且谐波小。

图4为光伏阵列三相并网仿真模块，光伏阵列初始参数设置为标准参数，即Tc=25℃，R=1 000 W·m-2，仿真时间为1 s，在0.5 s时太阳辐射强度从1 000 W·m-2降到800 W·m-2，图5为光伏阵列的输出电压和输出电流波形图，图6为网侧的有功及无功功率、直流侧电压、交流侧A相电压和电流波形图。

图3 MPPT仿真模块Fig.3 MPPT simulation module

图4 光伏阵列三相并网仿真模型Fig.4 PV array simulation model for three-phase grid

图5 光伏阵列输出电压和电流Fig.5 Output voltage and current of PV array

图6 网侧波形图Fig.6 Side waveform

由图5可以看出，当太阳辐射强度变化时，输出电流由90 A下降到70 A，输出电压略有下降，输出功率从40 kW下降到30 kW，仿真数据与太阳池板的I-V和P-V特性相符。由图6可以看出直流侧电压能够维持在给定值600 V，电网侧电流降低，但仍然保持与电压同相位，实现单位功率因数，所以网侧的无功功率为0，有功功率也有所下降，其值与光伏阵列的有功功率基本相等。

4 结论

根据光伏阵列数学模型建立起带有MPPT的仿真模型，能够动态的跟踪任意环境温度或太阳辐射强度变化时的最大功率，并且可以对任意组合的光伏阵列的I-V，P-V特性进行模拟。

通过仿真验证了此模型的有效性，并网逆变器能够很好的控制网侧的功率因数及并网电流的谐波，电网侧的功率能够很好的进行跟随。

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