基于墨西哥气象条件的光伏能源转换系统电能质量提升研究：SIL方法在配电网集成中的应用与案例分析

为解决光伏能源转换系统（PVECS）在墨西哥高辐照条件下接入配电网时的电能质量问题，研究人员开展了15 kW系统的集成研究。通过MATLAB-Simulink?和SIL方法验证，实现了95%的系统效率、THD<1%的谐波抑制和稳定直流链路电压控制，为分布式可再生能源并网提供了关键技术支撑。

　　

随着全球能源转型加速，光伏发电系统在电力结构中的占比持续提升。墨西哥莫雷洛斯州特米斯科地区拥有全国最高水平的太阳辐照度，为光伏发电提供了得天独厚的自然条件。然而，光伏能源转换系统（Photovoltaic Energy Conversion System, PVECS）接入配电网时面临严峻挑战：间歇性发电特性导致功率波动，电力电子设备运行产生谐波失真，温度与辐照度变化影响系统稳定性，这些因素严重制约着光伏发电的大规模并网应用。

为破解这些难题，研究团队在《Renewable Energy》发表了一项创新研究，通过结合墨西哥当地气象条件和先进的控制策略，对15 kW光伏发电系统并网进行全方位优化。该研究不仅建立了完整的数学模型，还采用软件在环（Software-in-the-Loop, SIL）和硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）验证方法，为分布式可再生能源并网提供了可靠的技术解决方案。

研究方法方面，团队采用多技术融合 approach：基于特米斯科气象站实测数据构建辐照度和温度变化模型；采用扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）实现最大功率点跟踪（MPPT）；设计升压转换器（Boost Converter）和电压源变换器（Voltage Source Converter, VSC）组成两级功率转换架构；通过比例积分（PI）控制器实现直流链路电压稳定控制；利用实时仿真平台OPAL-RT Technologies?进行系统验证。

研究结果显著体现在以下几个层面：

3.1 光伏组件阵列设计

通过精确计算得出需要72个光伏组件（12串联×6并联）组成15 kW系统，输出电压稳定在330V。数学模型分析表明温度变化对输出电压影响微弱（<1V/10°C），而辐照度变化与输出电流呈线性正相关关系。

3.2 电力电子变换器设计

升压转换器将光伏阵列输出电压提升至660V直流链路电压，采用脉宽调制（PWM）技术控制开关频率和占空比。电压源变换器实现DC/AC转换，通过调制指数控制实现与电网的完美同步。

3.3 电压、电流和功率控制律

MPPT控制确保在任何气象条件下都能提取最大功率；直流链路电压控制保持660V稳定值；电流控制使并网电流总谐波失真（THD）低于1%，完全满足墨西哥2.0电网规范要求。

4.1 案例1：固定温度与可变辐照度

仿真显示当辐照度从500W/m2阶跃到1000W/m2时，系统输出功率相应增加，但直流链路电压保持稳定，三相输出电压保持完美正弦波特性，证明系统对辐照度变化具有强鲁棒性。

4.2 案例2：固定辐照度与可变温度

温度在15°C到25°C之间变化时，系统电流略有下降但运行稳定，效率保持在94.77%-96.28%的高水平，表明温度变化对系统性能影响有限。

5.2 光伏能源转换系统的电能质量提升

采用SIL和HIL方法验证显示，系统在真实气象条件下全天候运行稳定，最高效率达到95%，THD始终低于1%。不同开关频率和滤波方法的对比实验表明，12kHz开关频率结合非对称载波信号可实现最佳谐波抑制效果。

研究结论表明，基于墨西哥气象条件设计的光伏能源转换系统成功解决了高辐照地区光伏并网的电能质量问题。通过优化的控制策略和系统设计，实现了95%的高效能量转换、低于1%的谐波失真和稳定的直流链路电压控制。这项研究不仅为墨西哥可再生能源发展提供了技术支撑，也为类似高辐照地区的光伏并网系统提供了可借鉴的解决方案，对推动全球能源转型具有重要意义。

讨论部分强调，该系统的 scalability（可扩展性）允许其适用于1kW至30kW功率范围的商业和住宅应用，只需相应调整组件参数。未来研究可进一步探索极端气象条件下的系统适应性以及与其他可再生能源的混合集成方案。