王 萍，鄭常寶

（安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥230039）

隨著能源與環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，開(kāi)發(fā)新能源和可再生能源已迫在眉睫。太陽(yáng)能是一種清潔的隨處可得的可再生能源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此備受關(guān)注并且前景看好。常規(guī)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要功能是完成光伏陣列的并網(wǎng)發(fā)電控制，即將光伏陣列的直流電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電能饋送給電網(wǎng)，并保證有較好的并網(wǎng)功率因素，它的控制調(diào)節(jié)與電網(wǎng)負(fù)載特性無(wú)關(guān)。而希望光伏陣列在光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)還可以對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償和抑制，從而提高電網(wǎng)供電的質(zhì)量和能力。為此本文介紹了一種新的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，它利用光伏并網(wǎng)逆變主電路的特點(diǎn)，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合，使得主電路具備提供有功和無(wú)功電流的控制功能。系統(tǒng)可以檢測(cè)負(fù)載電流中的無(wú)功和諧波分量，進(jìn)而達(dá)到無(wú)功電流補(bǔ)償控制的目的。并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)在進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)可以有效地進(jìn)行諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償。

1 光伏陣列模型的建立與仿真

1.1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型

基于光伏陣列的等效電路模型[5]如圖1所示，在Matlab環(huán)境下建立其通用仿真模型。

圖1 光伏陣列等效電路

其中，Rs為串聯(lián)電阻，忽略不計(jì)以簡(jiǎn)化計(jì)算；Rp為并聯(lián)電阻；Iph為光生電流；Id為暗電流。整理上式可得光伏陣列的數(shù)學(xué)模型：

其中，Vt=NsKT/q，Isc為短路電流；Voc為開(kāi)路電壓；KI為電流溫度系數(shù)；Kv為電壓溫度系數(shù)；a為二極管理想常數(shù)；q 為電子電 荷；K 為玻耳茲 曼常數(shù)；ΔT=T-Tn，T、Tn為實(shí)際溫度和標(biāo)準(zhǔn)溫度(單位K)；G、Gn為實(shí)際太陽(yáng)輻射和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射。

1.2 光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

光伏陣列P-V特性是非線性的，存在唯一的最大功率點(diǎn)。光伏陣列在任意光照和任意環(huán)境下的功率為：

由極值條件dp/dv=0得：

式(4)為超越方程，用迭代法求解。本文采用以簡(jiǎn)單且收斂速度快而被廣泛應(yīng)用的牛頓迭代法來(lái)求解出對(duì)應(yīng) 最 大 功 率 點(diǎn) 的 電 壓 ：Vk+1=Vk-P′(Vk)/P″(Vk)，當(dāng)≤ε時(shí)，Vmax=Vk+1。其中 Vk+1和 Vk分別是 V的第K+1次和第 K次迭代值，ε為迭代精度，P′(Vk)和 P″(Vk)分別是第K次迭代下P對(duì)V的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。將所得的最大功率點(diǎn)電壓 Vmax代入式（2），得 Imax，進(jìn)而可求得最大功率。

1.3 光伏陣列模型的仿真

基于上述數(shù)學(xué)模型，在Matlab環(huán)境下利用Simulink工具[3]建立光伏陣列的仿真模塊，改變其中各個(gè)參數(shù)可得到具有不同I-V特性的光伏陣列，特性曲線如圖2、圖3所示。

圖2、圖3中各條曲線表示不同光照條件下光伏陣列的I-V、P-V特性曲線，它們與典型的光伏陣列特性曲線相一致，驗(yàn)證了本文中光伏陣列仿真模型的正確性和實(shí)用性。

2 光伏陣列并網(wǎng)系統(tǒng)的原理

本文設(shè)計(jì)的新型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[4]最大的特點(diǎn)就是將光伏并網(wǎng)發(fā)電控制與無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合，使得光伏陣列在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)還可對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償。其基本原理是：基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論對(duì)負(fù)載電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出含有負(fù)載電流諧波及無(wú)功分量的指令電流，將指令電流和并網(wǎng)電流進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波控制逆變電路中各IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流對(duì)指令電流的跟蹤，最終得到理想的電網(wǎng)電流。其工作原理如圖4所示，其中PV為光伏陣列；MPPT單元為最大功率跟蹤控制單元，它完成光伏電池陣列最大功率點(diǎn)工作電壓的確定。AVR為電壓調(diào)節(jié)控制單元，其調(diào)節(jié)輸出是并網(wǎng)電流有功分量的幅值給定ip*。瞬時(shí)無(wú)功檢測(cè)及指令電流合成單元完成對(duì)電網(wǎng)電流的無(wú)功檢測(cè)并最終合成并網(wǎng)電流的指令值。電流控制單元采用滯環(huán)比較的控制方式，保證并網(wǎng)電流對(duì)指令電流的實(shí)時(shí)跟蹤。

2.1 無(wú)功電流瞬時(shí)檢測(cè)及指令電流的合成

本文設(shè)計(jì)的并網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)電的同時(shí)要實(shí)現(xiàn)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償，因此指令電流的計(jì)算是一個(gè)關(guān)鍵。指令電流的計(jì)算包括無(wú)功和諧波電流的補(bǔ)償指令電流計(jì)算、光伏并網(wǎng)發(fā)電有功指令電流計(jì)算及這兩者的合成運(yùn)算。諧波電流的檢測(cè)方法有很多，其中以基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法速度最快、應(yīng)用最廣，因此本文利用該檢測(cè)方法來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波電流的檢測(cè)和指令電流的合成。其中運(yùn)用數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）跟蹤A相電網(wǎng)電壓的相位，因此檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受電壓畸變的影響，可以保證電流檢測(cè)的精度。

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論[1]，三相負(fù)載電流 ia、ib、ic經(jīng)過(guò)變換矩陣和低通濾波器LPF后得到基波有功直流分量。ip*是光伏并網(wǎng)直流指令分量，由光伏陣列最大功率點(diǎn)工作電壓Upv*和當(dāng)前光伏陣列輸出電壓 Upv經(jīng)調(diào)節(jié)器AVR調(diào)節(jié)后得到的有功直流分量。基波有功直流分量和ip*相疊加經(jīng)過(guò)變換矩陣得到負(fù)載電流的基波有功分量 iapf、ibpf、icpf，將其與負(fù)載電流相減得到指令電流，指令電流表達(dá)式如下：

式(5)即為光伏并網(wǎng)指令電流表達(dá)式，第一項(xiàng)為瞬時(shí)無(wú)功功率理論得到的無(wú)功及諧波電流分量，是并網(wǎng)電流無(wú)功分量指令；第二項(xiàng)為光伏陣列輸出的并網(wǎng)電流有功分量指令，它體現(xiàn)了光伏陣列發(fā)電功率的大小。

2.2 電流跟蹤控制

電流跟蹤控制電路的作用是根據(jù)得到的指令電流和逆變電路輸出的實(shí)際并網(wǎng)電流之間的相互關(guān)系，得到控制逆變電路中各器件通斷的PWM信號(hào)，從而保證并網(wǎng)交流電流跟蹤指令電流的變化。本文采用滯環(huán)比較器[2]的瞬時(shí)值比較方式進(jìn)行電流跟蹤控制。該方法把指令電流與實(shí)際并網(wǎng)電流的偏差作為輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而使得實(shí)際并網(wǎng)電流可對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償。

3 并網(wǎng)系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)本文的并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，負(fù)載是帶阻感負(fù)載的三相整流橋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～圖7所示。由圖5可以看出，當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行諧波抑制時(shí)，a相電流接近正弦波即不再含有諧波，但a相電流、電壓存在一定的相位差，即a相電流含有無(wú)功分量。圖6表示并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，圖中a相電流、電壓同頻同相無(wú)相位差，即無(wú)功得到了完全的補(bǔ)償，a相電流不再含有無(wú)功分量但含有諧波分量。此時(shí)并網(wǎng)電流包括無(wú)功分量和有功分量而不再含有諧波分量，因此圖中的指令電流波形為三相正弦波并且與a相電壓存在一定的相位差。圖7則表示并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償，此時(shí)a相電流、電壓同頻同相，無(wú)功得到了完全的補(bǔ)償；a相電流波形接近正弦波表示諧波抑制的效果很好，電流中只存在一些由開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的毛刺，可忽略不計(jì)，流入電網(wǎng)的電流畸變率非常小，處于允許的范圍之內(nèi)，此時(shí)光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行了有效的諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償。

本文中的光伏陣列通用仿真模塊考慮了光伏電池內(nèi)部參數(shù)和外部環(huán)境等眾多因素并結(jié)合了MPPT仿真算法，可以實(shí)時(shí)模擬光伏陣列的動(dòng)態(tài)特性，具有良好的可信性和實(shí)用性。針對(duì)常規(guī)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)只進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電這一特點(diǎn)，本文提出一種新型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將光伏并網(wǎng)的發(fā)電控制與無(wú)功補(bǔ)償、有源濾波相結(jié)合，在保證很好地進(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)還對(duì)電網(wǎng)中的無(wú)功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償與抑制，從而提高電網(wǎng)供電的質(zhì)量和能力，仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果非常好。不足之處是本文中有關(guān)最大功率點(diǎn)跟蹤的實(shí)現(xiàn)，采用了實(shí)時(shí)優(yōu)化迭代算法，該方法存在一定的誤差，可以用其他更好的算法代替。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]林飛，杜欣編.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4]趙爭(zhēng)鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[5]VILLALVA M G，GAZOLI J R，F(xiàn)ILHO E R.Modeling and circuit-based simulation of photovoltaic arrays[J].Power Electronics Conference，2009：1244-1254.