摘要：根据光伏阵列的输出伏安特性，建立了光伏阵列通用仿真模型，并在此基础上提出了一种自适应占空比干扰观察法，建立了以Boost电路为核心的仿真模型，通过控制Boost DC-DC变换器实现了光伏阵列的最大功率点追踪(MPPT)，提高了光伏阵列的利用效率。对于三相光伏发电并网系统的研究，本文主要从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，证明了仿真模型的正确性和有效性。
关键词：光伏发电;光伏阵列;MPPT;并网运行;PQ控制
光伏发电(Photovoltaic，PV)系统是指能够将太阳光能转化为电能的装置[1]，根据光伏系统和电网的关系，又可以分为独立光伏系统和并网光伏系统[2]。在光伏发电系统的设计中，对整个发电系统的仿真是极其重要的一步，国内外学者对光伏系统建模和仿真也进行了广泛的研究，其中有基于I-V和P-V特性曲线的光伏阵列的分析[3]，最大功率点追踪方法的改进[4]，以及单相逆变器的动态建模和仿真[5]等。文献[6]中利用Matlab/Simulink仿真软件开发了具有友好界面的光伏电池元件模型;文献[7]应用PSCAD/ EMTDC电磁暂态仿真软件建立了一个简单的光伏直流发电系统，但并没有对三相光伏并网系统进行仿真分析。
文中利用Matlab/Simulink仿真软件，根据光伏阵列的输出伏安特性，建立了光伏阵列通用仿真模型，并在此基础上提出了一种自适应占空比干扰观察法，建立了以Boost电路为核心的仿真模型，通过控制Boost DC-DC变换器实现了光伏阵列最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)，提高了光伏阵列的利用效率。对于三相光伏发电并网系统的研究，本文主要从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，证明了仿真模型的正确性和有效性。
2 最大功率点追踪(MPPT)控制模型
为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求。在现在的光伏发电系统中，通常要求光伏阵列的输出功率始终保持在最大，即系统要能实现实时地追踪光伏阵列的最大功率点[9-10]。因此，要解与此相关的问题，可在光伏阵列与负载间加入最大功率点追踪装置，使光伏阵列始终能够输出的功率是其最大功率，以提高太阳能的利用率。
MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制端电压或其他物理量，使光伏电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率[11]。常用的MPPT方法有：定电压法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法等。
2.1 DC-DC变换器模型
DC-DC转换电路可分为升压(Boost)、降压(Buck)、升降压(Buck-Boost)和丘克(Cuk)四种[12]。通过改变 DC-DC变换器中功率开关管控制信号(PWM)的导通率(占空比)，来调整和控制光伏电池工作在最大功率点，可以实现光伏电池的最大功率跟踪。本文选择Boost电路来实现光伏电池的MPPT，拓扑结构如图3所示，当开关管导Tc导通时，输入电压对电感L 充电，L中电流增加;当Tc关断后，L开始放电，电感两端电压与输入电源的电压相叠加，使输出端产生高于输入端的电压。
2.2 MPPT模型
我们利用扰动观察法，通过成比例改变Boost 电路的输入电压来移动操作点向最大功率点靠近，同时计算出参考电压V用于产生PWM的控制信号，即可根据这两个值来计算功率。比较改变后操作点的功率与改变前功率值的变化，则功率值的变化决定下一步变化的方向：如果功率增加，继续相同方向增加扰动;如果功率减小，则反方向增加扰动。占空比间隔则决定着功率变化的步长。如果步长值较大，则系统响应快，但不准确;相反地，如果步长小，则系统反应慢，但相对精确。通过对参考电压V的不断调整，最终可以工作到最大功率点或其附近。
2.3 PWM脉宽调制模型
对于PWM脉宽调制模型，我们在此利用参考电压Vref与三角波比较从而产生PWM脉冲信号，用以控制Boost电路开关器件的通断。其中，零阶保持器的采样周期与MPPT仿真模块周期相同，取在 0.001～0.01之间，而PWM频率则取决于三角载波频率。
综合以上所介绍内容，可以建立光伏阵列的 MPPT仿真模型如图4所示。
3 三相光伏发电并网系统模型
3.1 主电路模型
在三相光伏发电并网系统的主电路中主要包含四个部分：直流部分(包含光伏电池和Boost电路)、三相逆变器、LC滤波器和隔离变压器[13-14]。其中前端直流部分与前面介绍的光伏电池最大功率跟踪和单相光伏发电系统相同，然后通过三相逆变器和滤波器将直流电能转化为能够满足并网标准的工频交流电能，最后经过隔离变压器并入中低压电网的公共连接点(PCC)，其系统结构如图5 所示。
3.2 PQ控制模型
光伏发电的输出功率受外界环境的影响很大，发电具有明显的间歇性，若要保证恒功率输出，则需要配备较大容量的储能装置，这样就大大提高了成本，对其控制的目标应该是如何保证可再生能源的最大利用率，为此一般采用PQ控制策略[15]。PQ控制就是通过调节有功电流无功电流使其跟踪参考电流实现的。
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i(有功电 d 流)决定，无功功率Q由i(无功电流)决定，这样就实 q 现了三相并网有功和无功功率的解耦控制。
本论文中PQ控制策略采用SPWM调制方式，核心是采用软件锁相环(SPLL)的电流跟踪控制，控制部分设计在dq旋转坐标系下，主要包括3个环节： SPLL与dq变换、功率及功率因数控制以及电流控制。
3.3 软件锁相环模型
电压频率和相位的检测大多通过锁相环(PLL)实现。基于瞬时无功理论的SPLL算法动态响应速度快，稳态滤波效果好，而且在电压畸变时能很好地跟踪输入电压。其结构如图6所示，SPLL先将三相输入电网Uabc经αβ变化，再经过dq变换，从而分离出电网电压矢量中与给定矢量平行的部分，即ud和uq。dq 变换所使用的参考角度是锁相的输出θ* ，uq的大小代表输出电压相位和锁相输出相位之间的差值(该差值在频率完全跟踪的情况下为0)。uq与0相减后的值经过PI控制器后可视为误差信号ω，ω与初始角频率ω(一般取为基波角频率值，以便在输入掉电的情况 0 下仍然能够输出基波频率的正弦信号)相加后得到角频率ω* ，再经过一个积分环节后得到最终的输出相位θ* 。整个系统构成一个负反馈，通过PI调节可以达到锁相的目的。
通过以上分析可知，经过SPLL的锁相，可以使并网系统运行过程中始终满足同步并网的要求。在旋转坐标系下，当dq轴下的值保持恒定时，则逆变器输出的相位将会跟随电网相位。正常的电网电压波形经dq变换后的q轴电压为零，从而只要将q轴的电压控制一直在零值，就可以达到软件锁相的效果。这样的方法，在三相系统畸变或不平衡的情况下优势会比较明显。
4 仿真结果与分析
根据相关的理论分析以及前面建立的模型，我们最终建立三相光伏发电并网系统的仿真模型如图7所示，系统的仿真参数见表1。
图8给出了参考温度(25 ℃)和参考光照强度(1 000 W/m2 )下的光伏发电并网系统的三相电流与电压仿真图。从图中可以看出运用本文所提出的控制策略可以得到近似完美的正弦三相电流与三相电压。
图9和图10所示为SPLL频率追踪仿真曲线图及系统三相电压经过dq变换后的输出仿真图。根据图形所示以及并网运行时SPLL性能分析，可以看出 SPLL能够很快跟踪电网频率，为dq变换提供参考角频率，且三相对称的电网电压经dq变化后的d轴输出为直流量，q轴输出为0。从而说明PQ控制模型实现了有功和无功功率的解耦控制。
上述仿真均在标准状况条件下进行，图11则给出了在参考温度下，光照强度突然变化时三相光伏并网系统的响应。我们设初始电池温度为25 ℃，光照强度为600 W/m2 ，0.1 s时，光照强度增加到800 W/m2 ，0.2 s上升到1 000 W/m2 ，此过程中温度保持不变。当光照强度发生变化时，由于光伏阵列固有的二极管输出特性，光伏阵列的输出功率会随光照强度的变化迅速发生变化，而由于逆变器的功率控制，其逆变输出功率会有稍许延迟。同时直流电压维持在相应的最大功率点电压处，并存在小幅震荡。由仿真结果图11的(a)(b)(c)可看出，此光伏系统在光照强度突然变化时，其输出功率可以快速跟踪相应光照强度下的最大功率，且随着光照强度的增加，光伏电池输出最大功率、最大电压和最大电流均会增大。图11(d)表示的是Boost电路的输出电压，Boost电路因并联电阻而存在的漏电流以及因内电阻的原因而引起输出电压下降，此外，滤波电容和电感的选择误差，也使得电感上的压降增大，从而引起Boost 电路的输出电压比系统输出电压要低，但从中可看出在光照强度变化时，此系统模型仍能实现MPPT 功能。
5 结论
本论文从光伏阵列的输出特性及其仿真模型入手，介绍了最大功率点追踪的理论，建立了基于观察扰动法的最大功率追踪模型，并进行Matlab仿真，通过控制Boost电路占空比实现了光伏并网系统的MPPT功能。对于三相光伏发电并网系统主要从 PQ控制原理入手，在dq坐标系下建立了仿真模型，通过仿真得出了PQ控制下的三相光伏发电并网运行特性，表明PQ控制模型实现了有功和无功功率的解耦控制，仿真结果表明，此模型动态性能好，对外界环境变化适应性较好，为光伏并网发电的进一步研究提供了有利基础。——论文作者：蒋拯
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