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💥第一部分——内容介绍

基于改进型低电压穿越控制策略的两级式光伏并网系统仿真研究

摘要：本文聚焦于三相光伏并网逆变器的改进，提出了一种添加防止直流母线过压和网侧过流的低电压穿越控制策略。在传统两极式三相光伏并网逆变器低电压穿越控制策略基础上，对光伏侧最大功率点跟踪（MPPT）算法进行改进，并在网侧采用PCC点电网电压全前馈策略。通过详细的设计文档，对Boost升压电路、LCL滤波电路各器件大小选择、改进MPPT算法和PCC电网电压全前馈策略、PI参数整定、DSOGI锁相环设计等方面进行了阐述。仿真结果表明，该策略能有效避免电网故障导致的母线电压过压和网侧电流过流问题，提高光伏并网系统的稳定性和可靠性。

关键词：三相光伏并网逆变器；低电压穿越控制策略；MPPT算法；PCC点电网电压全前馈

一、引言

随着全球能源需求的持续增长以及传统化石能源的日益枯竭，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。光伏发电作为太阳能利用的重要方式，其装机容量不断增加。在光伏发电系统中，三相光伏并网逆变器是实现将直流电转换为交流电并接入电网的关键设备。然而，当电网电压出现跌落等故障时，传统的三相光伏并网逆变器可能会面临直流母线过压和网侧过流的问题，这不仅会影响逆变器自身的安全运行，还可能对电网的稳定性造成威胁。因此，研究改进型的低电压穿越控制策略具有重要的现实意义。

二、三相光伏并网逆变器的改进策略

2.1 改进型低电压穿越控制策略概述

本文提出的改进型低电压穿越控制策略旨在解决传统策略在电网故障时出现的直流母线过压和网侧过流问题。该策略主要包含两个关键部分：一是对光伏侧MPPT算法进行改进，以提高光伏电池在不同环境条件下的发电效率和适应性；二是在网侧采用PCC点电网电压全前馈策略，实时监测电网电压并对其进行前馈补偿，从而精确控制网侧电流，防止过流现象的发生。

2.2 光伏侧MPPT算法改进

2.2.1 传统MPPT算法的局限性

传统的MPPT算法，如固定电压法（CV）、扰动观察法（PO）和增量电导法（IC）等，都存在一定的局限性。CV法基于光伏电池最大工作点电压在不同光强下基本不变的特点，控制电池电压保持恒定，该方法简单易行，但在温度变化时难以准确跟踪最大功率。PO法以最大功率点处U - P曲线斜率为0的关系对电池电压进行扰动，算法简单，但工作点始终在最大功率点附近振荡，且在光照变化较快的情况下会导致跟踪失败。IC法在PO法的基础上推导出更精确的判据，能更好地适应快速变化的环境条件，避免跟踪失败，准确性更高，但算法较复杂，跟踪效果依赖于精密的测量结果，对测量电路要求高。

2.2.2 改进型MPPT算法设计

为了克服传统MPPT算法的局限性，本文提出了一种结合固定电压法和增量电导法的改进型MPPT算法。该算法在工作点远离最大功率点时采用CV法控制，使电池电压迅速达到最大功率点附近；之后采用IC法对工作点进行小步长扰动，使之逐渐达到最大功率点。CV法保证了工作点快速接近最大功率点，IC法保证了环境或负载突变情况下的追踪可靠性。由于在接近最大功率点时才使用IC法跟踪，因此可以采用小步长扰动，既确保了跟踪的精度与速度，又减少了扰动产生的振荡。

2.3 网侧PCC点电网电压全前馈策略

2.3.1 策略原理

在电网故障导致电压跌落时，网侧电流可能会出现过流现象。为了有效避免这一问题，本文在网侧采用了PCC点电网电压全前馈策略。该策略通过实时监测PCC点的电网电压，并将其信息快速反馈到控制系统中。控制系统根据获取到的电网电压信息，迅速调整逆变器的输出电流指令，从而实现对网侧电流的精确控制。例如，当电网电压低于正常电压时，控制系统相应降低电流指令，防止过流。

2.3.2 策略优势

PCC点电网电压全前馈策略具有以下优势：一是能够实时感知电网电压的变化，提前做出反应，有效避免网侧电流过流；二是提高了系统对电网故障的适应能力，增强了系统的稳定性和可靠性；三是该策略实现相对简单，不需要复杂的硬件设备，降低了系统成本。

三、系统设计文档

3.1 Boost升压电路设计

3.1.1 电路拓扑结构

Boost升压电路主要由MOS管、电感、二极管和电容等器件组成。其工作原理是通过PWM方式控制MOS管的导通与关闭，实现电压的升高。当MOS管导通时，电感开始充电，将电能转换为磁能存储起来，此时二极管反向截止，输出能量全部由输出电容提供；当MOS管关闭时，电感释放能量，与输入电压串联为负载供电，同时为输出电容充电。

3.1.2 器件大小选择

在选择Boost升压电路的器件时，需要考虑输入电压范围、输出电压要求、开关频率等因素。对于电感的选择，要根据电感的电流纹波要求来确定其电感值。一般来说，电感值越大，电流纹波越小，但电感的体积和成本也会相应增加。二极管应选择导通迅速、导通压降小的肖特基二极管，以减少功率损耗。电容的选择要考虑其耐压值和容量，确保能够满足电路的稳定运行要求。

3.2 LCL滤波电路设计

3.2.1 电路拓扑结构

LCL滤波电路由电感、电容等器件组成，其主要作用是滤除逆变器输出电流中的高次谐波，提高送入电网的电能质量。LCL滤波电路具有较好的滤波效果，能够有效抑制高频噪声。

3.2.2 器件大小选择

LCL滤波电路的器件选择需要根据系统的额定功率、开关频率、电网阻抗等因素进行综合考虑。电感的选择要满足电流纹波和滤波效果的要求，同时要考虑电感的饱和特性。电容的选择要根据其耐压值和容量，确保能够承受电网电压和滤波电流的作用。一般来说，LCL滤波电路中的电感应放置在低阻抗侧，电容应放置在高阻抗侧，以提高滤波效果。

3.3 改进MPPT算法和PCC电网电压全前馈策略实现

3.3.1 改进MPPT算法实现

改进MPPT算法通过实时监测光伏电池的电压和电流，计算出当前的功率，并与上一次的功率进行比较。根据比较结果，采用CV法和IC法相结合的方式调整Boost电路的占空比，使光伏电池始终工作在最大功率点附近。在算法实现过程中，需要合理设置扰动步长和判断阈值，以确保算法的稳定性和准确性。

3.3.2 PCC电网电压全前馈策略实现

PCC电网电压全前馈策略通过传感器实时获取PCC点的电网电压信息，并将其反馈到控制系统中。控制系统根据电网电压的变化，按照一定的控制算法调整逆变器的输出电流指令。在实现过程中，需要确保传感器的高精度和快速响应，以及控制算法的准确性和稳定性。

3.4 PI参数整定

PI控制器在系统的控制中起着重要的作用，合适的PI参数能够使系统具有良好的动态性能和稳态性能。在整定PI参数时，可以采用试凑法、临界比例度法等方法。一般来说，先整定比例系数Kp，使系统具有一定的快速响应能力，然后再整定积分系数Ki，以消除系统的稳态误差。在整定过程中，需要综合考虑系统的响应速度、超调量和稳定性等因素。

3.5 DSOGI锁相环设计

DSOGI锁相环能够准确地锁定电网电压的相位和频率，为逆变器的同步并网提供可靠保障。其设计原理是基于二阶广义积分器（SOGI）对电网电压进行正交分解，然后通过锁相环算法实现对电网电压相位和频率的跟踪。在设计DSOGI锁相环时，需要合理选择SOGI的参数，以确保其具有良好的动态性能和稳态性能。

四、仿真结果与分析

4.1 仿真模型搭建

基于Matlab/Simulink平台搭建了两级式三相光伏并网系统的仿真模型，该模型包括光伏阵列、Boost升压电路、LCL滤波电路、三相逆变器以及控制系统等部分。在仿真模型中，对改进型低电压穿越控制策略进行了实现，并设置了不同的电网故障工况，以验证策略的有效性。

4.2 仿真结果分析

4.2.1 直流母线电压分析

在电网电压跌落等故障情况下，传统控制策略下直流母线电压会出现明显的过压现象，而采用改进型低电压穿越控制策略后，直流母线电压能够保持在合理范围内，避免了过压问题的发生。这表明改进后的MPPT算法能够根据电网故障情况自适应地调整光伏板的输出功率，有效防止了直流母线电压的过压。

4.2.2 网侧电流分析

在电网故障时，传统控制策略下网侧电流可能会出现过流现象，而采用PCC点电网电压全前馈策略后，网侧电流能够得到有效控制，避免了过流问题的发生。仿真结果显示，在电网电压跌落过程中，网侧电流能够迅速调整，保持在安全范围内，提高了系统的稳定性和可靠性。

4.2.3 并网电流质量分析

通过仿真分析并网电流的谐波含量，发现采用改进型低电压穿越控制策略后，并网电流的谐波含量明显降低，电能质量得到了显著提高。这表明LCL滤波电路在改进型控制策略下能够更好地发挥滤波作用，有效抑制了高次谐波。

五、结论

本文提出了一种基于改进型低电压穿越控制策略的两级式三相光伏并网系统。通过对光伏侧MPPT算法的改进和网侧PCC点电网电压全前馈策略的应用，有效避免了电网故障导致的直流母线过压和网侧电流过流问题。详细的设计文档对Boost升压电路、LCL滤波电路各器件大小选择、改进MPPT算法和PCC电网电压全前馈策略、PI参数整定、DSOGI锁相环设计等方面进行了阐述。仿真结果表明，该改进型控制策略能够提高光伏并网系统的稳定性和可靠性，改善并网电流质量，具有一定的应用价值。

📚第二部分——运行结果

新能源专题（六）基于改进型低电压穿越控制策略的两级式光伏并网系统仿真（仿真模型+设计报告+参考文献+低穿国标文件）

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🎉第三部分——参考文献

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