第1个回答 2014-11-24
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4
三相并入电流
ABC->DQ转换
无功电流给定值
电流内环控制器
DQ->ABC转换
SPWM驱动功率开关管
直流母线电压
直流母线电压
给定值
PI控制器
最大功率跟踪控制
直流母线电流Iin,Iout
图5 并网控制器结构
2.3.1电流内环控制模型
在三相静止对称坐标系数学模型中，逆变器交流侧均为时变交流量，因而不利于控制
系统设计。为此，可以通过坐标变换转换成与电网基波频率同步旋转的(d、q)坐标系【4】
。这样，经坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。由三电平逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，可以得到dq两相电流微分方程为：
dqqqqqddddLiRiUSdt
di
LLiRiUSdt
diL （2.4） 式中
dS、qS——三相逆变器交流输出端基波相电压合成矢量的d轴和q轴分量；
dU、qU——三相电网电压合成矢量的d轴和q轴分量； di、qi——三相并网电流合成矢量的d轴和q轴分量；
由式（2.4）可知，d、q轴电流除受控制量
dS、qS的影响外，还受到交叉耦合电压
dLi、
q
Li和电网电压dU、qU
的扰动。因此，需要对d、q轴电流进行解耦并引入电网电压前馈进行更好的控制。同时，电网电压前馈的引入有利于系统的动态性能得到进一步提高。由此，
可以将系统电流内环设计【4】【5】【6】
为：
d
qqqipqqdddipd
LiUiisKKSLiUiis
KKS))(())((****
（2.5）
根据上述分析，构造如图6所示的系统控制仿真模型。
5
图6 电流环控制仿真模型
2.3.2功率跟踪控制模型
由于太阳能电池的电压与电流并不是线性的关系，且在不同的大气条件下，因日照量与温度不同每个工作曲线都不一样。每一个工作曲线均有一个不同的最大功率点(Pmax)此即为太阳能电池的最佳工作点。为了提高太阳能发电系统的效率并充分的运用太阳能电池，需要一控制法则来使太阳能电池随时操作在最大功率点，此即最大功率点追踪法(MPPT)。 最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的
输出[7]
，常用的方法有：恒压跟踪法(CTV)、扰动观测法、导纳微分法。其中扰动观测回探法既避免了扰动观测法判断失误的可能性，又以其算法简明、测量参数少而优于导纳微分法，
太阳能电池输出功率的利用率得到很大提高[8]
，图7是算法流程。Matlab/Simulink现有的模块要实现该算法比较困难，本文通过编写相应的代码，以s函数封装形式来完成该算法模块功能。s函数提供了一个代码和Simulink模块之间的接口，用来实现对模块的编程。其中s函数的代码可以用Matlab语言编写，也可以是C、C++、Ada、Fortran等语言编写。
图7 最大功率跟踪流程图
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图中，I:光伏电池阵列输出的电流；U:光伏电池阵列输出电压；P:光伏电池阵列输出功率；Uref:最大功率跟踪器输出的电压参考值；△U:电压扰动值。
3仿真结果与分析
设置仿真时间为0.18s, 在前0.1s功率跟踪控制器输出电压给定值低于最大功率点电压，后0.08s电压给定值大于最大功率点电压。图8是A,B,C相并网电压与电流波形图。第一个周期由于仿真环境采用不等步长仿真，第一个周期点数比较多，所以显得时间比较长，其实就是一个周波，这是给电容充电阶段。整体上该电流与电压是同相的,表明本文设置的并网控制器是有效的。
(a) (b)
©
图8 三相光伏发电并网电流与电压波形
(a)A相电压与电流波形(黑体为电流波形);(b) B相电压与电流波形(黑体为电流波形);(c)C相
电压与电流波形(黑体为电流波形)
图9是直流端电压、电流波形图，在前0.1s,电压波动明显，原因在于该时段最大功率跟踪器输出的电压给定值低于最大功率点电压，此时系统工作在电池阵列的恒流源特性区域，使得稍微调节电流，直流侧电压的变化就比较大，加之电流内环也存在一定的动态调节时间，电流波动也就特别明显。后0.08s,当直流侧电压给定值远大于最大功率点电压，系统始终工作在光伏电池阵列的恒压源特性区域，所以直流侧电压波动比较小。从直流端光伏电池输出电流波形可以看出，在连接电网断路器合上之前，电流基本上就是电容的充电电流，可以看出，初始冲击电流还是比较大的，如何降低初始充电电流对电容的冲击，在工程设计时应当注意。其次可以看出，该电流波形是个脉冲波形，对电流传感器要求比较高。
7
(a) (b)
图9 直流侧电压与电流波形
(a)直流侧电压波形;(b)直流侧电流波形
图10是并网过程中电池阵列输出功率与交流侧并网功率波形图，从图中可以看出，光伏电池输出功率与交流侧并网功率并不平衡，原因在于电抗器、以及功率开关管，并网变压器均存在功率损耗。其次可以看出，并网功率前半段时间并网功率波动比较明显，原因在于此时段，光伏电池阵列工作在恒流特性区域，使得稍微调节直流侧电流，导致直流侧电压的变化就比较大，加之电流内环也存在一定的动态调节时间，并网电流波动也就特别明显。反之，在后半段时段，光伏电池阵列工作在恒压特性区域，直流侧电压变化不大，电流内环的电流参考值变化不大，交流侧并网功率就比较恒定。因此，为了减小并网功率的波动，兼顾电池效能的最大利用，光伏电池阵列推荐工作在接近最大功率点的恒压特性区域。
图10 光伏电池阵列输出功率与并网功率
4结论
1) 本文建立的三相光伏并网发电仿真模型及其控制方法能较好地模拟三相光伏并网发电
情况，为太阳能光伏并网发电系统的设计、优化提供了有效的手段。
2) 系统控制模型采用最大功率跟踪环、电压环与电流内环的三环结构，功率跟踪主要作用
使太阳能电池随时操作在设定功率点；电压环主要作用是控制三相逆变器直流侧电压，
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使直流侧电压跟随指定电压；电流内环采用前馈解耦的电流闭环控制。仿真表明上述控制方法能使交流电流很好地跟踪交流电网电压，实现了逆变目标。
3) 通过三相光伏并网发电仿真，光伏电池阵列可以工作在恒流特性区域，但是并网交流电
流波动比较大，为了减小并网功率的波动，光伏电池阵列推荐工作在接近最大功率点的恒压特性区域。
4) 在光伏发电并网之前，并联在光伏电池阵列的电容在充电阶段，初始冲击电流是比较大
的，工程设计时要考虑抑制初始充电电流对电容冲击的影响。