光伏并网建模与仿真

【摘要】：为开展太阳能光伏发电并网系统的研究，本文通过电压空间矢量脉宽调制SVPWM技术   其谐波小、直流侧电压利用率高、算法简单、等特点应用于光伏发电系统中的方法，能够提高对光伏电池输出直流电压的利用，从而达到改善整个光伏发电系统的性能。

【关键词】：光伏并网系统；   SVPWM技术   

1．光伏并网发电系统结构

三相光伏并网发电系统包括以下三个部分：光伏阵列模块、逆变器、控制器和电网，图1是光伏并网发电系统结构图，图中光伏电池板接受太阳光照射，将太阳能转换成直流电，经并网逆变器逆变为交流电与配电网络并网运行。

图1 光伏并网发电系统结构图

1.1.光伏电池数学模型

光伏电池是光伏电源的最小单元，通常将一系列小功率的光伏电池组成光伏组件，再根据功率等级通过串并联形成光伏阵列、得到光伏电源。光伏电池的基本结构是能够将光能转换为电能的PN结，图2显示了其精确的等效模型，由光生电流源、二极管、串联和并联电阻组成。光伏电池产生的光生电流Ｉph与光照强度λ成正比，流经二极管的电流、Id随着结电压Ｕd及逆向饱和电流Ｉsat的不同而变化。

图2 光伏电池的等效电路

相应的U-I 特性为：

  （1.1）

式中，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K；q=1.6×10-19C，为电子的电荷量；T为温度；Rsh和Rs为并联和串联电阻;A为二极管的理想因子,1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A=1，当光伏电池输出低电压时A=2； 和分别为光生电流和流过二极管的反向饱和漏电流，和 是随环境变化的量，需根据具体的光照强度和温度确定。

工程上光伏电池的应用模型通常只采用供应厂商提供的几个重要参数，包括标准参数（光照强度，环境温度）,  (光伏电池短路电流），（光伏电池最大功率点电流），（光伏电池开路电压）（光伏电池最大功率点电压）。根据以上参数，在工程精度的要求范围之内，建立工程应用的光伏电池数学模型，需要对表达式（2.1）做简化，随着外界环境的变化，推算出当前环境下（电池温度为 T，光照强度为 S）的光伏电池参数，， ， ，并求得此时光伏电池的I-U 特性曲线。

 （1.2）

1.2.光伏电池仿真模型

根据光伏电池的数学模型，在Matlab/Simulink中建立仿真模型。模拟光伏电池在不同光照强度下的() I-U，P-U 特性曲线和在不同温度（）下的I-U，P-U特性曲线。

1.光伏电池在不同光照强度下的() 的simulink仿真模型

图3不同光照下的光伏电池模型

仿真I-U、P-U 特性曲线图

图4 不同光照强度下光伏电池I-U特性曲线

图5 不同光照强度下光伏电池P-U特性曲线

2.光伏电池在不同温度（）下的simulink仿真模型，

图6 不同温度下的光伏电池模型

仿真I-U、P-U特性曲线

图7 不同温度下光伏电池I-U特性曲线

图8 不同温度下光伏电池P-U特性曲线

仿真分析

    根据述特性曲线图，可以得出光伏电池伏安特性具有明显的非线性特点。光伏电池既不是恒流源，也不是恒压源，也不能为负载提供任意大的功率，它是一种非线性的直流电源。

2.SVPWM技术

空间矢量脉宽调制SVPWM 从电压空间矢量的原理出发，实质是对三相正弦波中注入了零序分量的调制波进行规则采样的一种变形的 SPWM 技术,但 SVPWM 技术较SPWM技术具有更高的直流侧电压利用率，更低的开关频率和更好的动态性能 。

图9 三相桥式电压型逆变器拓扑结构

图9为三相逆变桥拓扑结构，三相逆变桥的目的是按照一定的规律来控制三对桥臂晶体管的通断，将直流侧的电压转换为三相正弦电压输出。如图9所示， 每相的上桥臂与下桥臂的开关动作相反，把上桥臂开关导通而下桥臂开关关断状态记为“ 1 ”，相反的，上桥臂开关关断而下桥臂开关导通状态记为“ 0 ”，因此，三相逆变电路一共有8种开关组合，对应8种电压的输出状态（基本电压矢量）,可分别命名为(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)，其中、成为零矢量，其余 6 个有效矢量成为非零矢量。非零矢量的幅值均为， 空间位置依次相差 60°， 这6个非零矢量分别位于一个正六边形的6个顶点位置，将空间划分为6个扇区，而两个零矢量位于原点 。 

表1 逆变器交流侧电压与开关状态的关系

表1给出了逆变器交流侧的输出电压与开关状态的关系。由于逆变器输出的电压矢量只能是上面8种离散的状态，无法获得连续电压矢量的运行轨迹，所以利用这8种状态的线性组合即可合成任意参考电压矢量，来实现SVPWM信号的实时调制。一般分为以下三个步骤：

（1）判断参考电压矢量所在的扇区；

（2）计算相邻两开关电压矢量作用的时间；

（3）根据开关矢量作用时间合成三相PWM信号。

2.1 参考电压矢量所处扇区N的判断

根据参考电压矢量 所在的二维静止坐标系α轴和β轴的分量、来判断所在扇区N。

                  令： （3.1）

若>0，则A=1,否则A=0;

若>0, 则B=1,否则B=0;

若

式中：A=sign（）；B=sign（）；C=sign（）。令N=4C+2B+A，通过N取值不同值来判断所在扇区。

表2 N与扇区的对应关系

为了算出相邻两个矢量的分别作用时间、，我们定义：

 （3.2）

对于不同的扇区，、的作用时间按表3 取值，、赋值后，还要对其进行饱和判断。若，取，。

表3 、对应关系赋值表

要合成三相PWM 信号，首先要计算矢量切换点、、的值。

                         定义：

则在不同的扇区内根据表4 矢量切换点、、赋值表

表4进行赋值，计算矢量切换点。

2.4 SVPWM 仿真模型

SVPWM算法在simulink中搭建的仿真模块如图所示

图10 SVPWM波生成模块

3.光伏并网仿真

3.1三相光伏并网系统simulink模型

图11 光伏并网控制系统结构图

该系统结构中采用的是PQ控制，PQ控制是通过调节有功电流和无功电流使其跟踪参考电流实现的。发电系统只向电网输出有功功率，即为零，逆变器功率因数为 1.0；在某些特殊情况下，并网系统也可以输出无功功率，不为零。对d轴、q轴电流采用PI调节，从而得到电压的控制量，再通过坐标变换来进行SVPWM控制逆变器进行并网。

3.2仿真模型

三相光伏并网仿真模型如图11所示，仿真参数设置如下：电网电压为380V，频率50Hz，直流侧母线电压600V，输出有功功率参考值为14Kw，无功功率参考值为0var。设置d轴参考电流值为30A，q轴参考电流值为0A。

图11 光伏并网simulink模型

电流仿真图级分析

图12 并网电流仿真图

（a）

（b）

图13  电网电压 A 相电压与并网 A 相电流

图12是电网电压 A相电压与并网 A相电流的波形图，图13中（a）图是并网A相电流波形图，（b）图是电网电压A相波形图。根据电压和电流的瞬时值波形可以看出两者的相位和频率保持一致的。 

图14 有功功率与无功功率仿真图

图14是有功功率与无功功率，从图中可看出有功功率在14Kw上下波动，无功功率在0var处波动，虽然不是非常稳定，但基本上符合要求。