光伏并網(wǎng)逆變器的仿真及控制策略分析①

李崇基

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.30.045

摘 要：本文分析了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，闡述了光伏電池并網(wǎng)的控制策略，介紹了常用的兩種最大功率追蹤的控制算法。在此基礎(chǔ)上，在PSCAD軟件上建立了基于兩級式非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，得出相應(yīng)的仿真結(jié)果，并對所建仿真模型的控制策略進行了分析。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) 逆變器 仿真

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（c）-0045-02

1 光伏逆變并網(wǎng)的控制策略

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)分析

光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器，實現(xiàn)直流電到交流電的變化，進而將電能輸送到電網(wǎng)中。

對于并網(wǎng)逆變器而言，典型的并網(wǎng)策略是通過對逆變器的輸出電流矢量的控制實現(xiàn)并網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)有功、無功的控制。并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)基本控制策略可以概括為：首先根據(jù)并網(wǎng)控制給定的有功、無功功率的指令以及電網(wǎng)電壓矢量，計算出所需的輸出電流矢量I*，再由Ui=UL+E，并考慮，即可計算出并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出的電壓矢量指令Ui*，即；最后通過SPWM或者SVPWM控制使并網(wǎng)逆變器交流側(cè)按指令輸出所需電壓矢量，以此進行逆變器并網(wǎng)電流的控制。

常見并網(wǎng)控制策略有基于電壓定向的控制策略和基于虛擬磁鏈定向的控制策略。

1.2 逆變器控制方法

通常情況下，采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)控制方法。逆變器內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標下，逆變器輸出電流的dq軸分量id、iq，分別與電流內(nèi)環(huán)的電流參考值，進行比較，并通過相應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器控制輸出對應(yīng)的調(diào)制比Pmd、Pmq，最終實現(xiàn)對id、iq的無靜差控制。

逆變器外環(huán)控制與其控制目標和參考坐標相關(guān)，逆變器通過外環(huán)控制輸出相應(yīng)的、。

1.3 利用電導(dǎo)增量法進行最大功率追蹤

光伏發(fā)電的最大功率追蹤（MPPT）算法有電導(dǎo)增量法和擾動觀測法，其中，電導(dǎo)增量法從光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的規(guī)律出發(fā)，推導(dǎo)出的系統(tǒng)工作點位于最大功率點時的電導(dǎo)和電導(dǎo)變化率之間的關(guān)系。由光伏電池的P-U的特性曲線及dP/dU變化特征，可以知道在光照強度一定的情況下僅存在一個最大功率點，且在最大功率點的兩邊dP/dU符號相異，而在最大功率點出dP/dU=0。

光伏電池的瞬時輸出功率為：P=UI。

兩端對電壓求導(dǎo)得：

（1）

觀察P-V曲線，當(dāng)功率達到最大時dP/dU=0。此時，dP/dU=-I/U。

由此可以得出：當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負值時，系統(tǒng)處于最大功率點。因此，用ΔI/ΔU近似代替dI/dU，則電導(dǎo)增量法進行最大功率追蹤的判斷依據(jù)是：

，最大功率點左邊

，

最大功率點 （2）

，最大功率點右邊

2 光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型

2.1 仿真模型建立

根據(jù)兩級非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，可在PSCAD中建立如下仿真模型。根據(jù)仿真設(shè)定，光伏電池板的輸入?yún)?shù)為光照強度和溫度，ins為光照強度輸入量，tmp為溫度數(shù)值，經(jīng)光伏效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能輸出。光伏電池板輸出的電壓經(jīng)BOST升壓電路將電壓抬高，然后通過一個DC/AC并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)。在光伏電池的出口側(cè)串聯(lián)一個二極管，防止反向電流流入光伏電池。其中，Eda為光伏電池輸出電壓，Eout為Bost升壓電路輸出電壓。

主電路的仿真參數(shù)設(shè)置為：LC濾波電路，電感L=0.001H，電容C=500μF；Bost升壓電路中的儲能元件，電感L=0.02H，電容C=1.0m。

2.2 控制策略分析

為了實現(xiàn)PQ解耦控制，將abc三相的交流電氣量轉(zhuǎn)換成dq0坐標系下的直流量，同時由鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)頻率，為dq變換提供參考頻率。電網(wǎng)電壓u經(jīng)dq變換得ud=um，uq=0，則旋轉(zhuǎn)坐標系下功率可表示為：P=udid，。

因此，對功率的控制可以轉(zhuǎn)換為對電流的控制，其中有功功率由d軸電流控制，無功功率由q軸電流控制。由式（1）計算得到d軸和q軸的參考電流值作為電流環(huán)的輸入，電流控制環(huán)中包含電流狀態(tài)反饋以及電網(wǎng)電壓前饋補償兩項。輸出的dq軸電壓經(jīng)過反變換后得到正弦調(diào)制信號，再通過SPWM控制三相逆變橋開斷，從而得到與電網(wǎng)同頻同相的電壓信號，將其并入電網(wǎng)。

PI控制器的作用是根據(jù)差量進行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生零穩(wěn)態(tài)誤差，以補償非線性擾動。為保證輸出電壓及時跟蹤電網(wǎng)電壓，在電流環(huán)PI調(diào)節(jié)過程中，要確保電流控制誤差為零，同時要使輸出電流更接近正弦波，以便于對有功功率和無功功率進行控制，使DG具有靈活運行的能力。

3 光伏并網(wǎng)逆變器的仿真結(jié)果分析

對上述仿真模型進行仿真，可得出以下仿真波形及分析結(jié)果。設(shè)定光伏陣列表面溫度保持在25°，光照強度為5s時由1000W/m2減小到600W/m2，仿真時間為定為10s。光照強度發(fā)生階躍變化時，可以看出光伏電池響應(yīng)速度較快，調(diào)節(jié)時間短，且輸出功率曲線光滑平穩(wěn)；可以看出在穩(wěn)態(tài)運行時，系統(tǒng)始終保持輸出幾乎為零，在擾動影響下也能較快恢復(fù)，這說明光照強度的變化對無功功率的輸出影響不大。

從光伏陣列的P-U輸出曲線可以看出，光伏陣列開始工作在1000W/m2條件下，當(dāng)光伏系統(tǒng)在光照強度發(fā)生階躍變化時，MPPT控制模塊能夠?qū)ふ业皆摴庹諚l件下對應(yīng)的最大功率點，并始終工作在該最大功率點附近。

當(dāng)太陽光照強度始終保持在1000W/m2，溫度在5s時從25℃降低到10℃。當(dāng)溫度升高時，光伏的出力下降，并且相對于光照強度改變時，有功功率的變化范圍較小，無功功率在階躍擾動下的變化較小，能夠快速地恢復(fù)到設(shè)定值，逆變器很好地跟蹤了光伏陣列的最大輸出功率。

在光伏電池在溫度變化時對應(yīng)的P-U曲線也發(fā)生變化，對應(yīng)的最大功率點處的功率增加，電壓也增大。

4 結(jié)語

本文介紹了基于工程計算的光伏電池的并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)控制、最大功率跟蹤算法以及逆變器并網(wǎng)的控制策略。在此基礎(chǔ)上，在PSCAD軟件上搭建了兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型，通過對光伏并網(wǎng)控制電路的介紹，分析了該仿真模型的并網(wǎng)控制策略。該模型的仿真分析結(jié)果表明，在溫度和光照強度的擾動下，系統(tǒng)的輸出性能良好，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤。

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