基于PSpice的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究

摘 要:采用DC/DC和DC/AC兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計，采用改進(jìn)的定電壓跟蹤法(CVT)實現(xiàn)最大功率點(diǎn)閉環(huán)跟蹤，并將PWM控制器引入并網(wǎng)逆變中，采用三角波比較方式實現(xiàn)SPWM電壓逆變和輸出電流的波形跟蹤與控制，在電壓、電流內(nèi)環(huán)的基礎(chǔ)上引入功率外環(huán)以實現(xiàn)系統(tǒng)前后級功率平衡和能量管理，采用基于PSpice的光伏電池仿真模型對所設(shè)計光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，基于PSpice的光伏仿真模型能夠有效地模擬實際光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的行為特征，將PSpice軟件用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真是可行的。

關(guān)鍵詞:光伏并網(wǎng)系統(tǒng); 最大功率點(diǎn)跟蹤; 移相全橋軟開關(guān); DC/AC逆變; PSpice仿真

中圖分類號:TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0185-03

Simulation Research on Photovoltaic Grid-connected System Based on PSpice

FANG Bo， WANG Ye

(School of Electrical and Information Engineering， Xuchang University， Xuchang 461000，China)

Abstract:DC/DC and DC/AC topological structures is adopted to study and design the PV grid-connected system. The closed-loop tracking for MPPT is realized with the improved constant voltage tracking method. The PWM controller is introduced into the grid-connected inverter. The SPWM voltage contravariance and waveform tracking control of the output current are implemented by triangle wave comparison method. Based on voltage and current inter loops， the power outer loop is set up for the power balance between the stages and energy management. The PV grid-connected system is simulated with PV cell array model based on PSpice. The simulation results show that the PV model based on PSpice can effectively simulate the behavior characteristics of the actual PV grid-connected system and PSpice software can be used for PV power system simulation.

Keywords: PV grid-connected system; MPPT; SP-FB-ZVS; DC/AC invert; PSpice simulation

0 引 言

由于光伏電池的特殊性質(zhì)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中，整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計十分重要，利用計算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和輔助設(shè)計對于在技術(shù)上確定和改善系統(tǒng)的性能、整定元器件參數(shù)、分析啟動和失效等極端情況、優(yōu)化控制策略，以及在經(jīng)濟(jì)上縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本等方面都有著重要的意義?？捎糜诠夥到y(tǒng)的仿真平臺軟件有Matlab，SIMPLORER，PSIM等，這些仿真軟件各有各的特點(diǎn)和適用范圍。

PSpice是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的電子電路仿真軟件，具有元器件豐富、支持?jǐn)?shù)/模混合仿真、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。本文將PSpice仿真軟件引入到光伏發(fā)電系統(tǒng)，將PSpice仿真模型用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的模擬。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [1，3-4]

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單級式并網(wǎng)、兩級式并網(wǎng)和多級式并網(wǎng)等，單級式并網(wǎng)拓?fù)湓谝粋€功率變換環(huán)節(jié)實現(xiàn)升壓、最大功率點(diǎn)跟蹤、DC/AC逆變以及光伏電池和電網(wǎng)之間的隔離，結(jié)構(gòu)緊湊，但存在電池電壓紋波較大或沒有能量解耦環(huán)節(jié)、效率低等缺點(diǎn)。多級式并網(wǎng)拓?fù)淠芡瑫r實現(xiàn)逆變橋低開關(guān)頻率、DC/DC變換器正弦半波直流輸出、光伏電池與電網(wǎng)間能量解耦等多種功能，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加等缺點(diǎn)。在此采用DC/DC和DC/AC兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中DC/DC變換采用移相全橋軟開關(guān)(PS-FB-ZVS)工作方式，并通過控制電路實現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤、光伏陣列與電網(wǎng)隔離、閉環(huán)恒壓、功率管軟開關(guān)等功能。DC/AC逆變采用電壓源型自換相逆變并網(wǎng)方式和雙極性SPWM逆變工作方式，通過控制電路實現(xiàn)正弦電流輸出和并網(wǎng)功率因數(shù)為1。兩級式光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 兩級式光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略  [1，4-5]

由于光伏電池的特殊特性和對并網(wǎng)電流的特定要求，以及實現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的要求，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略和控制方式是實現(xiàn)整個系統(tǒng)優(yōu)良性能的關(guān)鍵，本文兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略如圖2所示。仿 真電路模型如圖3所示。

圖2 兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略

圖3 PCpice仿真電路圖

圖2中全橋DC/DC變換電路實現(xiàn)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤，最大功率點(diǎn)跟蹤方式有恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法、“上山”法等。這些方法各有特點(diǎn)，本文采用改進(jìn)的定電壓跟蹤法(CVT)實現(xiàn)最大功率點(diǎn)閉環(huán)跟蹤。通過檢測光伏陣列輸出電壓與給定電壓的比較控制全橋DC/DC變換器的占空比來實現(xiàn)恒定電壓閉環(huán)控制。DC/AC逆變采用電壓源型逆變并網(wǎng)技術(shù)，將PWM控制器引入并網(wǎng)逆變中，采用三角波比較方式實現(xiàn)SPWM電壓逆變和輸出電流的波形跟蹤與控制。同時，為了實現(xiàn)逆變輸出電流對電網(wǎng)電壓的相位跟蹤，保證并網(wǎng)功率因數(shù)為1，需要對電網(wǎng)電壓相位進(jìn)行檢測并實現(xiàn)逆變給定正弦電流對電網(wǎng)電壓相位的跟蹤。在DC/DC變換的電壓內(nèi)環(huán)控制和DC/AC電流內(nèi)環(huán)跟蹤控制的基礎(chǔ)上將光伏陣列最大實時輸出功率和并網(wǎng)逆變器輸出功率進(jìn)行比較，讓逆變輸出功率去跟蹤太陽能光伏陣列的最大發(fā)電功率，實現(xiàn)系統(tǒng)前后級功率平衡和能量管理，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過在DC/DC變換后高壓直流母線上并聯(lián)一個電容C或蓄能電池，可以很好地實現(xiàn)前后級能量解耦，使前級DC/DC變換的恒壓閉環(huán)控制和后級DC/AC逆變的閉環(huán)電流跟蹤控制相對獨(dú)立，系統(tǒng)運(yùn)行將更加穩(wěn)定可靠。

3 基于PSpice的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真 [2，6]

基于上述兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，采用PSpice仿真平臺建立的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真電路模型如圖3(a)，(b)所示。仿真模型的技術(shù)參數(shù)如下:

輸入:光伏電池組件1組(標(biāo)準(zhǔn)條件下峰值工作電壓17.5 V，峰值工作電流350 mA，峰值功率6 W)。

DC/DC:17.5 V/80 V，開關(guān)頻率100 kHz。

輸出:AC 50 V，120 mA，50 Hz正弦波，圖3(a)中，光伏電池PV ARRAY的仿真模型根據(jù)硅型光伏電池的物理結(jié)構(gòu)構(gòu)建[3，6]，Q1，Q2，Q3，Q4構(gòu)成H橋，L1，L2J，L3構(gòu)成高頻隔離升壓變壓器，變比n1:n2=1∶6，高頻逆變后的PWM波經(jīng)D166，D167，L5全波整流濾波后對蓄能電池組V1充電。U33等構(gòu)成全橋移相控制電路[7]，U22及其外圍電路構(gòu)成PI型閉環(huán)調(diào)節(jié)器，R4，R5分壓電路對光伏電池輸出電壓取樣后與給定電壓V12比較后由控制器給出H橋4只開關(guān)管的移相驅(qū)動信號對主電路進(jìn)行移相控制，實現(xiàn)光伏電池恒定電壓跟蹤和功率開關(guān)管的軟開關(guān)，從而達(dá)到光伏系統(tǒng)高效率、低損耗的目的。圖3(b)中，Q5，Q6，Q7，Q8為逆變H橋，L30為濾波電感，V77為電網(wǎng)單相電源模型。設(shè)電網(wǎng)電壓為理想正弦波，則逆變控制器只需讓并網(wǎng)逆變器的輸出電流去跟蹤該電壓波形即可，即讓電網(wǎng)電壓取樣作為逆變電流的給定，而給定的幅度由并網(wǎng)發(fā)電功率決定。U137，U19A，U170A等構(gòu)成三角波比較型SPWM逆變控制電路。其中，U19A及其外圍電路組成PID閉環(huán)調(diào)節(jié)器，通過調(diào)節(jié)C6，C217，R111，R770等參數(shù)可以改善逆變電流對輸出電壓的跟蹤性能，本文中取C6=30 nF，C217=9 nF，R111=30 Ω，R770=2 kΩ。

圖4為光伏電池CVT 控制的輸出電壓和輸出電流仿真波形。圖5為DC/DC變換器的隔離變壓器原邊電壓和電流仿真波形。圖6為DC/AC逆變器輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓相位的仿真波形。

圖4 光伏電池CVT 控制的輸出電壓和輸出電流仿真波形

圖5 DC/DC變換器的隔離變壓器原邊電壓和電流仿真波形

圖6 DC/AC逆變器輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓相位的仿真波形

4 結(jié) 語

本文采用PSpice仿真平臺構(gòu)建了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，本文光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用全橋DC/DC變換、全橋DC/AC逆變兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠較方便地實現(xiàn)光伏并網(wǎng)控制，通過兩級間引入蓄能電池(或電容)能夠較好地實現(xiàn)前后級之間的解耦控制，采用恒定電壓跟蹤在一定程度上實現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤，并且實現(xiàn)方法簡單可靠。采用三角波比較閉環(huán)跟蹤PID控制能夠較好地實現(xiàn)雙極性SPWM逆變及并網(wǎng)電流對電網(wǎng)正弦電壓波形的跟蹤，在電網(wǎng)電壓波形較理想的情況下，可將電網(wǎng)電壓取樣波形作并網(wǎng)逆變電流的給定，從而大大簡化逆變輸出電壓、電流相位跟蹤的設(shè)計。在DC/DC電壓閉環(huán)和DC/AC電流閉環(huán)的基礎(chǔ)上通過對光伏電池輸出功率和逆變并網(wǎng)輸出功率的比較和跟隨，對DC/AC的輸出電流和功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]趙爭鳴，劉建政.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社，2005.

[2]賈新章.orCAD/PSpice 9實用教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1999.

[3]沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]鄭詩程.光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2005.

[6]方波，張武勤.基于PSpice的硅型光伏電池電特性仿真研究[J].通信電源技術(shù)，2009，26(5):64-66.

[7]Texas Instruments. BiCMOS advanced phase shift PWM controller[M]. Texas: Unitrode Products from Texas Instruments SLUS157B， 1999.