三相太阳能光伏系统控制】在线性和非线性负载条件下模拟额定功率为33kW的三相并网光伏系统，提高电能质量研究附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

随着太阳能光伏技术的快速发展，三相并网光伏系统在分布式发电领域的应用日益广泛。然而，光伏系统输出功率的波动性以及负载特性（尤其是非线性负载）的复杂性，可能导致谐波污染、电压波动、功率因数偏低等电能质量问题，影响电网的安全稳定运行。本文以额定功率 33kW 的三相并网光伏系统为研究对象，通过搭建仿真模型，分析其在不同负载条件下的电能质量特性，设计基于先进控制算法的并网逆变器控制器，实现电能质量的优化提升，并通过仿真验证控制策略的有效性。

三相并网光伏系统的结构与工作原理

系统整体架构

工作原理

系统的能量流路径为：光伏阵列吸收太阳能转化为直流电，经 DC-DC 变换器实现 MPPT 和电压调节后，送入三相并网逆变器；逆变器将直流电逆变为交流电，经 LCL 滤波器滤波后，一部分能量供给本地负载，多余能量并入电网，不足时从电网吸收能量。控制核心是保证逆变器输出电流与电网电压同频同相，同时抑制谐波，稳定直流母线电压。

线性负载条件下的系统仿真与电能质量分析

控制策略设计

采用双闭环控制策略：

• 外环（直流母线电压环）：通过 PI 控制器调节直流母线电压稳定在 700V，输出作为有功电流指令；

• 内环（电流环）：采用比例谐振（PR）控制器，实现并网电流的无静差跟踪，抑制特定次谐波。

• 电网同步：采用锁相环（PLL）提取电网电压相位和频率，保证逆变器输出与电网同步。

仿真结果与电能质量分析

1. 稳态性能：

• 直流母线电压：稳定在 700V，波动幅度 <±2%；

• 并网电流：与电网电压同相，功率因数 > 0.99；

• 电流 THD：经 LCL 滤波后，THD=1.2%，满足标准要求；

• 功率分配：光伏输出 25kW，负载消耗 20kW，向电网馈送 5kW 有功功率。

1. 动态性能：

• 光照突变（从 800W/m² 降至 500W/m²）时，MPPT 响应时间 < 0.1s，直流母线电压波动 < 5%，并网电流无明显冲击；

• 负载突变（从 20kW 增至 25kW）时，系统从向电网馈电转为从电网吸收 0kW（光伏恰好满足负载），过渡时间 < 0.05s。

1. 主要电能质量指标：

• 电压偏差：<±1%（电网电压 380V±4V）；

• 频率偏差：<±0.02Hz（50Hz）；

• 闪变：无明显闪变（光伏功率波动经 MPPT 平滑后 < 2%/s）。

非线性负载条件下的系统仿真与电能质量问题

电能质量综合优化方案

多目标协调控制

结合线性和非线性负载特性，提出多目标优化控制策略，通过权重系数动态调整控制目标优先级：

• 正常工况（线性负载为主）：优先保证 MPPT 精度和并网电流正弦度；

• 非线性负载占比高时：优先抑制谐波，允许 MPPT 效率小幅降低（<1%）；

• 电网电压畸变时：启动电压外环校正，补偿电网电压谐波对电流的影响。

结论与展望

本文通过对 33kW 三相并网光伏系统在不同负载条件下的仿真研究，得出以下结论：

1. 线性负载条件下，采用双闭环控制（PI+PR）可实现良好的电能质量，电流 THD<2%，功率因数接近 1；

1. 非线性负载会导致严重的谐波污染和功率因数降低，需引入谐波检测与补偿环节；

1. 基于 PR + 重复控制器的复合控制策略能有效抑制谐波，将并网电流 THD 降至 2% 以下，同时改善功率因数和直流母线稳定性。

未来研究方向包括：

• 考虑光伏阵列和负载的不确定性，采用模型预测控制（MPC）提升系统鲁棒性；

• 研究多逆变器并联运行时的谐波交互影响及协同控制策略；

• 结合储能系统平抑光伏功率波动，进一步提升电能质量和系统灵活性。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 王立建.离网光伏并联逆变器输出电能质量控制技术研究[D].重庆大学,2012.DOI:10.7666/d.y2153174.

[2] 杨鹏兴.基于深度学习的光伏并网系统电能质量研究[D].山西大学,2023.

[3] 王霞.并联型有源电力滤波器在电力系统谐波治理中的仿真研究[D].北京交通大学[2025-08-11].DOI:CNKI:CDMD:2.2008.049773.

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