光伏并網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系統的拓撲結構，闡述了光伏電池并網的控制策略，介紹了常用的兩種最大功率追蹤的控制算法。在此基礎上，在PSCAD軟件上建立了基于兩級式非隔離型光伏并網系統的仿真模型，得出相應的仿真結果，并對所建仿真模型的控制策略進行了分析。

關鍵詞：光伏并網 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 光伏逆變并網的控制策略

1.1 拓撲結構分析

光伏陣列發出的直流電經過逆變器，實現直流電到交流電的變化，進而將電能輸送到電網中。

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

常見并網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，采用電流內環，電壓外環控制方法。逆變器內環電流控制環節在同步旋轉dq坐標下，逆變器輸出電流的dq軸分量id、iq，分別與電流內環的電流參考值，進行比較，并通過相應的PI調節器控制輸出對應的調制比Pmd、Pmq，最終實現對id、iq的無靜差控制。

逆變器外環控制與其控制目標和參考坐標相關，逆變器通過外環控制輸出相應的、。

1.3 利用電導增量法進行最大功率追蹤

光伏發電的最大功率追蹤（MPPT）算法有電導增量法和擾動觀測法，其中，電導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律出發，推導出的系統工作點位于最大功率點時的電導和電導變化率之間的關系。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。

兩端對電壓求導得：

（1）

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

由此可以得出：當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，系統處于最大功率點。因此，用ΔI/ΔU近似代替dI/dU，則電導增量法進行最大功率追蹤的判斷依據是：

，最大功率點左邊

，

最大功率點 （2）

，最大功率點右邊

2 光伏并網逆變器的仿真模型

2.1 仿真模型建立

根據兩級非隔離型光伏并網系統的拓撲結構，可在PSCAD中建立如下仿真模型。根據仿真設定，光伏電池板的輸入參數為光照強度和溫度，ins為光照強度輸入量，tmp為溫度數值，經光伏效應將太陽輻射能轉換成電能輸出。光伏電池板輸出的電壓經BOST升壓電路將電壓抬高，然后通過一個DC/AC并網逆變器與電網并聯。在光伏電池的出口側串聯一個二極管，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。

主電路的仿真參數設置為：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PQ解耦控制，將abc三相的交流電氣量轉換成dq0坐標系下的直流量，同時由鎖相環跟蹤電網頻率，為dq變換提供參考頻率。電網電壓u經dq變換得ud=um，uq=0，則旋轉坐標系下功率可表示為：P=udid，。

因此，對功率的控制可以轉換為對電流的控制，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的輸入，電流控制環中包含電流狀態反饋以及電網電壓前饋補償兩項。輸出的dq軸電壓經過反變換后得到正弦調制信號，再通過SPWM控制三相逆變橋開斷，從而得到與電網同頻同相的電壓信號，將其并入電網。

PI控制器的作用是根據差量進行調節，產生零穩態誤差，以補償非線性擾動。為保證輸出電壓及時跟蹤電網電壓，在電流環PI調節過程中，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 光伏并網逆變器的仿真結果分析

對上述仿真模型進行仿真，可得出以下仿真波形及分析結果。設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。光照強度發生階躍變化時，可以看出光伏電池響應速度較快，調節時間短，且輸出功率曲線光滑平穩；可以看出在穩態運行時，系統始終保持輸出幾乎為零，在擾動影響下也能較快恢復，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，當光伏系統在光照強度發生階躍變化時，MPPT控制模塊能夠尋找到該光照條件下對應的最大功率點，并始終工作在該最大功率點附近。

當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，能夠快速地恢復到設定值，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的P-U曲線也發生變化，對應的最大功率點處的功率增加，電壓也增大。

4 結語

本文介紹了基于工程計算的光伏電池的并網拓撲結構、并網控制、最大功率跟蹤算法以及逆變器并網的控制策略。在此基礎上，在PSCAD軟件上搭建了兩級式光伏并網逆變器的仿真模型，通過對光伏并網控制電路的介紹，分析了該仿真模型的并網控制策略。該模型的仿真分析結果表明，在溫度和光照強度的擾動下，系統的輸出性能良好，能夠實現最大功率跟蹤。

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