光伏发电PQ控制建模与仿真

史 泓，刘国巍,宋 飞，张 强

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232000)

1 引言

随着全球工业迅速的发展，全球变暖问题日益突出，相对于传统的不可再生能源所造成的污染，寻找可再生的新能源来代替传统能源被迫切提上日程，使得以可再生能源为主的分布式发电技术发展较为迅速。新能源是21世纪最具有发展前景的能源[1～4]，随着社会的不断发展，新能源将逐渐成为人类的主流能源。然而光伏发电是大规模利用太阳能的主要形式和发展方向，目前光伏发电技术逐渐成熟，全球范围内已经建立起很多光伏发电基地，光伏发电[5]将是未来地球上很多国家重点发展的领域。

为了提高光伏电池的利用率，本文分析了光伏电源并网PQ控制方法的原理，并根据该原理在MATLAB/SINMULINK中进行了建模和仿真。

2 PQ控制方法原理

根据当前微网逆变器及其控制的研究，PQ控制即有功、无功给定控制[6，7]，在新能源微电源并网运行方面运用广泛且成熟可靠。PQ控制法是对微电源有功功率输出值和无功功率输出值进行给定值来实现其控制目的，达到让系统保持稳定运行的目的，其方法原理如图1所示。

图1 PQ控制方法原理

大电网电压Ugk表达式为：

(1)

式(1)中，Uik是逆变器滤波后的线路电压，Ll是线路电感，Rl是线路电阻,ilk是采样电流。

将式(1)从abc坐标系转换为dq坐标系后,可表示为：

(2)

式(2)中，Ugd是Ugk在d轴是的分量，Ugq则为q轴分量。Uid和Uiq分别是dq坐标系下的逆变器输出电压分量。ild是有功电流分量，ilq是无功电流分量。

在dq坐标系中，逆变器输出功率表示为：

(3)

Ugk经由abc坐标系转换为dq坐标系后，Ugd则为一常数，Ugq=0。其输出功率则可表示为：

(4)

式(4)中，Pref和Qref分别是是dq坐标下有功参考量和无功参考量。

因此可以得到dq坐标系下内环电流参考值：

(5)

定义：

(6)

式(5)、(6)中，igq_ref和igd_ref分别是dq坐标下的电流参考量。Umd和Umq分别是dq坐标下的瞬时分量。

将(6)代入(2)可得：

(7)

式(7)中，-ωLlilq和-ωLlild是电流状态反馈。

根据式(5)、(7)式可设计PQ控制器如图 2所示。

根据以上原理可以通过MATLAB搭建模型，如图 3、图4所示的锁相环与dq变换模型和实时功率计算模型。

根据PQ控制原理，可以通过MATLAB搭建微电源并网仿真模型，如图5所示。

通过已经搭建的模型可实现仿真实验，即有功、无功给定值的分配在不同的时间内进行给定，模型仿真参数如表1所示。

图2 P/Q控制器仿真模型

图3 锁相环与dq变换模型

图4 实时功率计算模型

2 仿真结果分析

如图6所示，在0～0.15 s内，在分布式电源并网系统中，微电源的有功功率输出值是10 kW，无功功率输出值是0 kVar；在0.15～0.3内，微电源的有功功率输出值是15 kW，无功功率输出值是-5 kVar。该微电源的参考有功功率和无功功率是通过PQ控制来实现有效的跟踪。同时，从图7可以得知，网侧电流会因为功率的变化而改变，而功率的变化对网侧电压没有影响。微电源的功率变化前电流和电压是同频同相的，而其功率变化之后电压和电流则不同频同相了。根据图8可知，经过对并网电流谐波的处理分析，可以得到THD=2.3%。所以分布式电源并网系统对电压和频率变化的要求是可以通过PQ控制来实现的。

图5 微电源并网仿真模型

表1 系统参数设计

图6 有功和无功功率的输出波形

图7 A相电压和电流

图8 Ia_THD波形

3 结论

本文对PQ控制的原理进行了详细地推导与分析，依据其原理可以通过MATLAB搭建仿真模型，然后，通过让有功和无功功率给定值在不同的时间段内发生变化，再运行仿真模型，可知仿真模型的结果检验了PQ控制具备迅速的动态响应能力，能够实时根据有功、无功的给定产生正确的输出值，结果证明了无功与有功的解耦控制可以通过PQ控制来实现，并且测得THD畸变较小，并网电流质量满足并网要求，所以验证了此仿真模型的可行性和正确性。