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智能仿真研究

光伏并网控制系统仿真

1.搭建光伏并网控制系统仿真框图

本文在Simulink环境下搭建了三相光伏并网控制系统的仿真结构框图。

通过系统仿真分别对三相光伏发电系统根据传统的并网策略、实现无功补偿策略以及本文设计的改进方案有功输出与无功补偿统一控制策略三种不同并网策略进行了分析和仿真验证。

本文所研究的三相四线制的光伏并网系统的基本结构框图如下所示：

图1.三相四线制的光伏并网系统的基本结构框

图1中电流方向的参考方向为电流流入电网的方向，

、

和

为电网的三相电压，

、

和

为光伏并网系统的输出电流，

、

、

和

为流入或流出电网的电流。

从图中可以看出，光伏并网系统和电网同时给负载供电，光伏阵列瞬时的发电量和本地负载的用电状况同时决定电网有功能量的流向，当有多余的能量时电流流入电网，当能量不足时由电网流出电流。

图2.三相光伏并网控制系统的Simulink仿真框图

图2为三相光伏并网控制系统的仿真框图。

图中主要分为四大功能部分，其中A部分为三相光伏并网控制系统的变流并网部分，其中为简化问题，集中分析三相光伏系统的并网控制策略即参考输出电流的解算，对A部分进行了理想化处理。

在理想情况下，三相光伏并网控制系统的变流并网部分可以实时准确地跟踪参考电流输出，本章在此用理想可控电流源代替了实际系统中的VSC变流器。

B部分为电网，其中A、B和C分别为电网的三相，N为电网的中性线，输出电压为220V，频率为50Hz，为了更加接近实际的运行效果，本章对电网的输出电压加入了白噪声处理，波形如下图，

图 3.电网的输出电压波形

C部分为本地负载，根据不同的情况采用不同的负载情况，例如感性，容性，阻性。

D部分为三相光伏并网控制系统的控制器，控制器以在Simulink的仿真环境下搭建的DSP模块来实现，DSP模块模拟实际应用的DSP的运行控制方式，其中DSP所执行的程序以S函数的形式实现。

程序流程与实际DSP中所执行的程序流程基本一致，在仿真过程中可以使实际的运行状态更加接近仿真并且在这个仿真设计后，对实际系统的开发有更简便的可移植性。

图4.实现三相光伏并网控制的DSP模块

图4是本文搭建的DSP模块，主要功能是实现三相光伏系统的并网控制。

左图为DSP模块的外部接口，其中输出接口有1个，输出口control的输出为三相输出的参考电流值，输入接口有4个，其中输入口Ipcc的输入量为负载的瞬时三相电流，输入口Upcc的输入量为电网的瞬时三相电压，输入口Power为上一级光伏阵列在光照下所转化的瞬时功率，也就是需要向电网输出的能量，输入口mode的输入为本系统的并网工作模式，当mode的输入为‘1’时，并网模式采用传统光伏并网的控制策略；当mode的输入为‘2’时，并网模式采用无功补偿的控制策略；当mode的输入为‘3’时，并网模式采用有功输出与无功补偿统一控制的并网控制策略。

下面的仿真会根据不同的需要选择相应的工作模式。

右图是本文搭建的DSP模块的内部框图，其中右边的为采样模块，采样频率为10KHz；中间的为DSP运算模块，这部分采用S函数的形式，程序算法与实际中DSP中所程序算法一致，采用不同的模式，运算出不同策略所得到的参考电流；左边的为输出模块，本仿真系统使用的是零阶保持器实现离散系统地输出的连续化。

2.传统光伏并网的控制策略

传统光伏并网的控制策略目标是将由太阳能阵列与最大功率点跟踪系统所吸收过来的电能转变为符合电网所要求的电能质量，并且在并入电网时保持并网有功功率与光伏阵列输出功率相平衡，保证系统能稳定于工作点电压。

由于分布式光伏系统与交流电网的能级差异，可视交流电网为无限大，光伏并网变流器并入交流电网，交流电网电压基本不变，故并网功率的大小可由并网有功电流的大小来体现，所以传统光伏并网的控制策略就是控制并网电流的幅值和形态以满足上述目标，具体在幅值方面就是指需要与光伏阵列的输出功率平衡，做到转化了多少光能就产生多大有功电流，在形态方面使光伏系统的输出电流与电网的电压同频同相，实现和电网同相单位功率因数正弦波电流的输入。

图5.传统光伏并网的控制策略的控制框图

图5为传统光伏并网的控制策略的控制框图，控制策略跟踪电网的电压波形是以输出电流为单位功率因数正弦波为控制目标，因此需要对光伏阵列的输出电压和输出电流进行实时监测并计算出光伏阵列实时输出的瞬时功率，然后通过输出功率的选择方案进行输出。

传统光伏并网的控制策略输出功率的选择中，有功的输出量为光伏阵列转化的瞬时功率，无功输出为零。

2.1仿真分析

图2是系统的仿真框图，设置mode输入为传统光伏并网控制策略，输入为‘1’。

power输入为光伏阵列所转化的有功功率，为简化分析，本文的仿真办法是以预定的信号输入来代替对光伏阵列转化的瞬时功率。

通过分别改变负载类型和光伏阵列转化的功率的大小，对系统进行仿真。

首先设光伏阵列转化的功率为一个定值，当负载类型为容性时，仿真结果如图6所示：

图6.容性负载有功输出的仿真结果

当负载类型为感性时，仿真结果如图7所示：

图7.感性负载有功输出的仿真结果

图6和图7为不同负载类型的传统光伏并网控制策略的仿真图。

如图6可以看出：

仿真应用的是容性负载，因此负载电流超前于电网电压一个固定的相角。

而在图7中，仿真应用的是感性负载，因此负载电流滞后于电网电压一个固定的相角。

而无论是什么负载类型，从图中我们都可以看到，经过传统光伏并网控制策略的控制，光伏并网系统的输出电流都能够紧紧跟随着电网电压的相位，实现了与电网同相单位功率因数正弦波，并且随着有功输入的变化而变化幅值，说明当输出功率恒定时用瞬时功率理论可以很好的实现很好地实现传统光伏并网控制策略的控制功能。

同时我们也可以看出，输入电网的电流也和电网电压存在一个相差，说明负载所需要的无功正由电网所提供，而光伏并网发电系统只将所吸收的能量传递给了电网，并没有改善负载对电网的影响。

本文将对光伏阵列转化的功率实时变化的情况对系统进行仿真，为便于观察，设负载类型为阻性，光伏阵列转化的功率为一个定值时，power口输入为恒定值，仿真结果如下：

图8.阻性负载功率恒定有功输出的仿真结果

设负载类型为阻性，光伏阵列转化的功率为一个在变化的值的时候，仿真中光伏阵列转化的功率设定为阶梯递增的变量，设置power 值为一阶梯上升的函数，在0-0.08s时间段里power 值从400增加到1500，0.08s-0.12s时间段里power 值维持在1500，0.12s-0.16s时间段里power 值从1500增加到2500并保持不变直到最后，仿真的结果如下：

图9.阻性负载功率变化有功输出的仿真结果

图8和图9为阻型负载在不同输出功率下传统光伏并网的控制策略仿真图，仿真应用阻性负载，因此负载电流与电网电压无相差。

从图中可以看出，光伏并网系统的输出电流与电网电压同相位，实现了与电网同相单位功率因数正弦波，并且随着光伏阵列转化功率的改变而变化幅值，并且在变化的过程中没有与电网产生相差，说明对于变化的功率也可较好地实现传统光伏并网控制策略的控制功能。

观察图8，在变化的过程中，主要有三个过程，当在0-0.08s时间段里power 值从400增加到1500时，光伏阵列吸收的太阳能不断增大，光伏并网输出电流在与电网同相的情况下幅值不断增大，而电网电流随着这个过程不断的减小，说明电网提供的有功能量在减小，此时负载所需要的能量由光伏并网系统和电网同时负担；0.08s-0.12s时间段里power 值维持在1500，此时可以看出电网的电流基本为零，光伏并网系统的输出电流与负载电流基本重合，说明在此段时间内，光伏并网系统提供了负载需要的全部有功功率，电网基本不参与能量交换；从0.12s到最后的时间段里power 值从1500继续增加，此时光伏并网系统输出的能量超过了负载所需要的能量，将多余的能量输入到电网，从图8中可以看出此时光伏并网系统的输出电流幅值大于负载电流，而电网电流与电网电压反相，说明此时能量正在向电网里流动，整个过程电网电流都跟随了电网电压，说明对于能量匹配或流向电网的情况也可以实现了传统光伏并网控制策略的控制功能。

3.实现无功补偿的控制策略

光伏并网系统实现无功补偿的控制策略时，系统的功能相当于静止无功补偿器的功能。

主要功能是实时地确定补偿负载引起的谐波与无功电流的参考值，并控制电力变流器并准确地把它合成出来。

它要求能够通过对瞬时电压电流的采样实时精确地计算出补偿负载引起的谐波与无功电流的参考值。

3.1分解功率滤波器设计

应用无功补偿的控制策略需要在对功率的分解上进行大量的设计，根据不同的方案对输出功率的选择会有很大不同，根据功率选择方案和下式

我们要把有功功率的平均部分和波动部分分离，同时零序功率的平均部分和波动部分分离，这个过程我们应用的办法是引用数字滤波器，经过实时计算的不同瞬时功率通过滤波器进行功率分离，滤波器的系数本文应用Matlab中FdaTool工具进行设计，具体实现方法如下图，设置为低通6阶Butterworth滤波器，通带频率设置为50Hz。

图10.应用FdaTool设计滤波器

本文采用IIR6阶滤波器的方案，IIR6阶滤波器以三个2阶Butterworth滤波器级联来实现，其中2阶的Butterworth滤波器的系数由Matlab中FdaTool工具来进行设计。

图11.六阶滤波器的组成结构

3.2无功补偿的控制策略的控制方法

如图12所示为无功补偿控制策略的控制框图，该控制策略实现静止无功补偿器的功能，以电网电流为单位功率因数正弦波为控制目标，因此需要对负载的电压和电流进行实时监测，计算出负载的瞬时功率，通过输出功率的选择方案进行输出，传统光伏并网的控制策略输出功率的选择中，有功的输出量为有功的波动部分，无功输出为负载需要无功的瞬时功率，零序功率为负载的不平衡部分。

图12.无功补偿的控制策略的控制框图

3.3仿真分析

系统的仿真框图为图2，设置mode输入为无功补偿的并网控制策略，输入为‘2’。

power输入为光伏阵列所转化的有功功率，为了简化分析，本文的仿真办法是以预定的信号输入来代替对光伏阵列转化的瞬时功率，本节设置为0。

通过分别改变负载类型，对系统进行仿真。

当负载类型为容性时，仿真结果如图13所示：

图13.容性负载无功补偿的仿真结果

当负载类型为感性时，仿真结果如图14所示：

图14.感性负载无功补偿的仿真结果

图13和图14为不同负载类型下无功补偿的控制策略的仿真图。

从图13可以看出，仿真应用的是容性负载，因此负载电流超前于电网电压一个固定的相角，而在图14中，仿真应用的是感性负载，因此负载电流滞后于电网电压一个固定的相角。

而无论是什么负载类型，从图中我们都可以看到，经过无功补偿的控制策略控制，流入电网的电流都和电网电压的相位相同，此时光伏并网系统已经补偿掉了负载的无功分量，说明光伏并网系统可以实现静止无功补偿器的功能。

4.有功输出与无功补偿统一控制的并网控制策略

光伏并网系统应用有功输出的控制策略的目标是将由太阳能阵列与最大功率点跟踪系统所吸收过来的电能转变为符合电网要求电能质量的电能，并且在并入电网时保持并网有功功率与阵列输出功率相平衡，保证系统能稳定于工作点电压。

光伏并网系统应用无功补偿的控制策略时，系统的功能相当于静止无功补偿器的功能，主要功能是实时地确定补偿负载引起的谐波与无功电流的参考值，并控制电力变流器准确地把它合成出来。

有功输出与无功补偿统一控制的并网控制策略的目标是实现上述两种策略的目标，实现方法就是在功率选择环节，将两种方法的输出功率相融合，这样在输出时，所输出的功率就兼有太阳能光伏阵列转化的有功和需要补偿的负载的无功功率。

4.1有功输出与无功补偿的统一控制

如图15为统一控制策略的控制框图，该控制策略兼容静止无功补偿器的功能，有功输出电流跟踪电网的电压波形，以输出电流为单位功率因数正弦波为控制目标，对光伏阵列的输出电压和输出电流进行实时监测，计算出光伏阵列实时输出的瞬时功率，无功补偿电流以馈网电流为单位功率因数正弦波为控制目标，因此需要对负载的电压和电流进行实时监测，计算出负载的瞬时功率，然后通过输出功率的选择方案进行输出，有功的输出量为负载有功的波动部分和光伏阵列实时输出的瞬时功率，无功输出为负载需要无功的瞬时功率，零序功率为负载的不平衡部分。

图15.统一控制策略的控制框图

4.2仿真分析

系统的仿真框图为图2，设置mode输入为统一控制的并网控制策略，输入为‘3’。

power输入为光伏阵列所转化的有功功率，为了简化分析，本文的仿真办法是以预定的信号输入来代替对光伏阵列转化的瞬时功率。

通过分别改变负载类型和光伏阵列转化的功率的大小，对系统进行仿真。

首先设光伏阵列转化的功率为定值，负载类型为容性时，仿真结果如图16所示：

图16.容性负载统一控制的仿真图

当负载类型为感性时，仿真结果如图17所示：

图17.感性负载统一控制的仿真结果

图16和图17为不同负载类型的统一控制策略的仿真图。

从图16可以看出：

仿真应用的是容性负载，因此负载电流超前于电网电压一个固定的相角，而在图17中，仿真应用的是感性负载，因此负载电流滞后于电网电压一个固定的相角。

应用统一控制策略后，光伏并网系统的输出电流分为两部分：

无功补偿电流部分和有功输出电流部分。

无功补偿电流部分的光伏并网系统的输出电流补偿了无功电流；而有功输出电流部分的光伏并网系统的输出电流紧紧跟随着电网电压的相位，实现了与电网同相单位功率因数正弦波，并且随着有功输入的变化而变化幅值。

两部分叠加的效果就是实现了输入电网的电流与电网同相，并且光伏发电系统对负载输送了部分有功功率。

对于这两种负载，可以看出图中的电网电流与电网那个电压都是同频同相的，光伏并网系统的输出电流补偿了无功分量，而电网电流幅值比负载电流小，说明伏并网系统的输出电流提供了部分有功，通过对仿真结果的分析可知，本文的改进方案在输出功率恒定的情况下可以实现可以有效地协调光伏有功输出与无功补偿，不仅能将有功能量有效地输入电网并且能补偿由于负载引入的无功功率，实现了电网电流与电网的电压同频同相，为单位功率因数正弦波。

本文将对光伏阵列转化的功率实时变化的情况对系统进行仿真，为便于观察，设负载类型为感性，光伏阵列转化的功率为一个定值时，仿真结果如图18所示：

图18.感性负载功率恒定统一控制的仿真结果

设负载类型为感性，光伏阵列转化功率为变化值的时候，仿真中光伏阵列转化的功率设定为阶梯递增变量，设置power 值为一阶梯上升的函数，在0-0.08s时间段里power 值从400增加到1500，0.08s-0.12s时间段里power 值维持在1500，0.12s-0.16s时间段里power 值从1500增加到2500并保持不变直到最后，仿真的结果如图19所示：

图19.感性负载功率变化统一控制的仿真结果

图18和图19为感型负载在不同输出功率下统一控制策略的仿真图。

从图中可以看出：

本仿真应用的是感性负载，因此负载电流滞后于电网电压一个固定的相角。

其中图18作为图19的一个参照，从图中可以看出，电网电流与电网电压同相位，实现了与电网同相单位功率因数正弦波，并且随着光伏阵列转化的功率的变化而变化幅值，在变化的过程中电网电流始终没有与电网产生相差，说明对于变化的功率应也可以实时协调光伏有功输出与无功补偿，不仅能将有功能量有效地馈入电网并且能补偿由于负载引入的无功功率。

观察图19，在变化的过程中主要有三个过程：

当在0-0.08s时间段里power 值从400增加到1500时，光伏阵列吸收的太阳能不断增大，光伏并网输出电流也不断增大，可以看出在与电网同相的情况电网电流随着这个过程不断的减小，说明电网提供的有功能量在减小，此时负载所需要的有功能量由光伏并网系统和电网同时负担，负载需要的无功有光伏并网系统提供；0.08s-0.12s时间段里power 值维持在1500，可以看出电网的电流基本为零，光伏并网系统的输出电流与负载电流基本重合，说明在此段时间内，光伏并网系统提供了负载需要的全部有功能量和无功能量，电网基本不参与能量交换；从0.12s到最后的时间段里power 值从1500继续增加，此时光伏并网系统输出的能量超过了负载所需要的能量，将多余的能量输入到电网，从图19中可以看出此时光伏并网系统的输出电流幅值大于负载电流，而电网电流与电网电压反相，说明此时能量正在向电网里流动，并且只有有功能量流入电网，整个过程电网电流都跟随了电网电压，说明对于能量匹配或流向电网的情况也可以实现了可以实时协调光伏有功输出与无功补偿，不仅能将有功能量有效地馈入电网并且能补偿由于负载引入的无功功率，实现预定目标。

5.小结

传统的三相光伏系统的并网控制策略基本上是使光伏并网系统的输出电流

、

和

跟踪电网三相电压

、

和

的相位，实现输出电流与电网的电压同频同相，在并网光伏系统输出电流来看实现和电网同相单位功率因数正弦波电流的输入。

但是可以看出这种策略没有对负载进行考虑，而流入或流出电网的电流经负载的作用会发生相移甚至被注入谐波。

当三相光伏发电系统实现静止无功补偿器的功能时，电网就提供这部分无功分量，三相光伏发电系统实现静止无功补偿器的功能就是要通过对负载的电压电流检测，然后计算出负载需要的无功量，进而产生相应的补偿电流，可以补偿负载所带来无功的影响，实现电网三相电压

、

和

与流入或流出电网的电流

、

和

同频同相，但过程中不提供任何有功能量。

文中提出的改进方案是实现有功输出与无功补偿统一控制策略，当三相光伏发电系统实现其控制策略时，同样假设负载为非阻性负载，流入或流出电网的电流经负载的作用会发生相移，也就是电网三相电压

、

和

与流入或流出电网的电流

、

和

存在相差，可以通过实时计算，将光伏阵列吸收的有功能量转换成与电网电压同频同相的有功电流，并且通过对负载的电压电流检测，然后计算出负载需要的无功量，进而产生相应的补偿电流，瞬时功率理论的体系下，有功电流与补偿电流并行计算并综合为统一的三相光伏并网系统的输出电流

、

和

为，可以有效地协调光伏有功输出与无功补偿，实现提供了负载的有功功率并且使电网三相电压

、

和

与流入或流出电网的电流

、

和

同频同相，不仅能将有功能量有效地输入电网并且能补偿由于负载引入的无功功率。

改进方案仅仅是在控制策略上进行功能的协调，因而在实现方面具有实现结构简单、反应速度迅速以及可控性强等特点，本文为了能对负载的不平衡加以补偿，采用了三相四线制并网结构以及相应的三相四线制并网控制。

针对传统光伏并网发电策略无法对线路中负载产生的无功分量进行处理的问题，本文对传统的并网策略了进行改进，设计出基于瞬时功率理论有功输出与无功补偿统一控制的改进型并网控制策略。

本文搭建Simulink仿真模型，分别对三相光伏发电系统应用瞬时功率理论在根据传统的并网策略、实现无功补偿策略以及改进方案有功输出与无功补偿统一控制策略三种不同并网策略进行分析和仿真验证。

对比证明改进方案以瞬时功率为基础结合传统并网发电的并网策略和静止无功补偿器的特点，有效地协调光伏有功输出与无功补偿，不仅能将有功能量有效地输入电网并且能补偿由于负载引入的无功功率，实现电网电流与电网的电压同频同相，为单位功率因数正弦波。

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