【并网光伏阵列】使用SimPowerSystems进行并网光伏阵列研究（Simulink仿真实现）

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💥1 概述

使用SimPowerSystems进行并网光伏阵列研究

一、研究背景与平台优势

在“双碳”目标推动下，并网光伏阵列作为新能源发电的核心形式，其最大功率捕获能力与电网故障适应能力直接影响发电效率与系统稳定性。SimPowerSystems（MATLAB/Simulink工具箱）凭借以下优势成为并网光伏仿真的理想平台：

• 标准化模块库：内置光伏阵列、逆变器、电网等模块，支持自定义参数匹配不同场景；
• 精确电力电子模型：提供IGBT、MOSFET等器件模型，可模拟逆变器开关暂态过程；
• 控制算法无缝衔接：与Simulink控制模块深度集成，便于实现MPPT、LVRT等复杂控制策略；
• 多维度分析工具：支持时域仿真与频域分析，直观评估系统稳态与动态性能。

二、研究模型与关键技术

两个演示示例说明了如何使用SimPowerSystems对连接到公用事业电网的光伏阵列进行建模。
- PVarray_Grid_IncCondReg_det.mdl 是一个详细模型，展示了一个连接到25kV电网的100千瓦阵列，通过一个直流-直流升压变换器和一个三相三电平电压源变流器（VSC）进行连接。通过Simulink模型，使用“增量导纳+积分调节器”技术在升压变换器中实现了最大功率点跟踪（MPPT）。
- PVarray_Grid_PandO_avg.mdl 是一个200千瓦阵列的平均模型，连接到25kV电网，通过两个直流-直流升压变换器和一个三相VSC进行连接。基于“摄动和观察”技术的MPPT控制器通过生成可嵌入C代码的MATLAB函数块实现。
详细模型包含：
- 光伏阵列在1000瓦/平方米太阳辐射下提供最大100千瓦功率。
- 5千赫兹升压变换器（橙色块）将来自光伏的自然电压（最大功率时272伏直流）提升至500伏直流。开关占空比由使用“增量导纳+积分调节器”技术的MPPT控制器优化。
- 1980赫兹（33*60）3电平3相VSC（蓝色块）。VSC将500伏直流转换为260伏交流，并保持单位功率因数。
- 10千乏容量滤波器，用于过滤VSC产生的谐波。
- 100千伏安、260伏/25千伏三相耦合变压器。
- 公用事业电网模型（25千伏配电馈线 + 120千伏等效输电系统）。
对于这个详细模型，电路以1微秒采样时间离散化，而用于控制系统的采样时间为100微秒。
平均模型包含：
- 两个光伏阵列，在1000瓦/平方米太阳辐射下各提供最大100千瓦功率。
- 两个升压变换器的平均模型（橙色块），将PV1和PV2的电压提升至500伏直流。两个MPPT控制器使用“摄动和观察”技术。
- VSC的平均模型（蓝色块）。VSC将500伏直流转换为260伏交流，并保持单位功率因数。
- 20千乏容量滤波器，用于过滤VSC产生的谐波。
- 200千伏安、260伏/25千伏三相耦合变压器。
- 公用事业电网模型（25千伏配电馈线 + 120千伏等效输电系统）。
在平均模型中，升压和VSC变流器由等效电压源表示，生成在开关频率一个周期内平均的交流电压。这样的模型不代表谐波，但保留了控制系统和电力系统相互作用产生的动态。这种模型允许使用更大的时间步长（50微秒），从而实现更快的仿真。请注意，在平均模型中，两个光伏阵列模型包含代数环。当使用较大的采样时间时，代数环是必需的，用于获得光伏模型的迭代和准确解决方案。这些代数环可以很容易地通过Simulink解决。

详细文档见第4部分。

1. 详细模型：PVarray_Grid_IncCondReg_det.mdl

• 系统结构：100kW光伏阵列通过DC-DC升压转换器（5kHz）和三相三电平VSC（1980Hz）连接至25kV电网。
• MPPT实现：采用“增量电导+积分调节器”技术，优化升压转换器开关占空比，确保光伏阵列工作在最大功率点。
• 关键参数：
  • 光伏阵列：最大输出功率100kW（1000W/m²辐照度）；
  • 升压转换器：输入电压272V DC（最大功率时），输出电压500V DC；
  • VSC：输出电压260V AC，功率因数1；
  • 滤波器：10kvar电容滤波器；
  • 变压器：100kVA，260V/25kV；
  • 电网模型：25kV配电线路+120kV等效输电系统。
• 仿真特性：电路离散化采样时间1μs，控制系统采样时间100μs。

2. 平均模型：PVarray_Grid_PandO_avg.mdl

• 系统结构：200kW光伏阵列通过两个DC-DC升压转换器和一个三相VSC连接至25kV电网。
• MPPT实现：基于“摄动和观察”技术，通过MATLAB函数块生成可嵌入C代码的控制器。
• 关键参数：
  • 光伏阵列：每个阵列最大输出功率100kW（1000W/m²辐照度）；
  • 升压转换器：输出电压500V DC；
  • VSC：输出电压260V AC，功率因数1；
  • 滤波器：20kvar电容滤波器；
  • 变压器：200kVA，260V/25kV；
  • 电网模型：25kV配电线路+120kV等效输电系统。
• 仿真特性：采用50μs时间步长，通过等效电压源表示升压和VSC变流器，保留控制系统与电力系统相互作用的动力学特性。

三、研究内容与成果

1. MPPT控制算法优化

• 问题：传统扰动观察法在MPP附近易振荡，光照突变时跟踪速度慢。
• 改进方案：平衡跟踪精度与响应速度，减少功率损失。
• 应用价值：在多云天气等复杂光照条件下，分布式光伏逆变器年发电量可提升3%-5%。

2. LVRT策略设计

• 问题：电网短路故障导致电压骤降时，光伏逆变器脱网会引发功率失衡。
• 国网标准：电压跌落至0%额定电压时，需保持并网运行0.15s；电压恢复至80%时，快速恢复功率输出。
• 改进方案：通过逆变器控制策略与储能辅助支撑，提升LVRT性能。
• 应用价值：满足国网最新标准，避免大型光伏电站（100MW及以上）故障脱网导致的经济损失。

四、工程应用价值

• MPPT研究：改进算法可直接应用于分布式光伏逆变器，提升复杂光照条件下的发电效率。
• LVRT研究：控制策略满足国网标准，保障大型光伏电站稳定运行。
• 模型复用性：搭建的SimPowerSystems模型可扩展至“光伏+储能”微电网、光伏与风电互补系统等场景，降低后续研究成本。

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。

[1]吴小进.光伏阵列及并网逆变器关键技术研究[D].北京交通大学,2012.DOI:10.7666/d.Y2428388.

[2]张兴,张崇巍,孙本新.采用电流寻优的MPPT光伏阵列并网逆变器的研究[J].太阳能学报, 2001(3):306-310.

[3]侯宝华李建军罗继东.并网光伏阵列发电最大功率点孤岛检测方法[J].计算机仿真, 2021, 38(8):70-74.

🌈4 Simulink仿真实现