光伏并網(wǎng)逆變器Simulink建模與教學(xué)仿真

聶曉華， 劉繼君

（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330031）

0 引 言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，以可再生能源為基礎(chǔ)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用和推廣。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電和電網(wǎng)連接的重要紐帶，也是學(xué)習(xí)新能源發(fā)電技術(shù)中的重要課題［1-3］。

在現(xiàn)有各類文獻中，對光伏并網(wǎng)逆變器的講解多以理論分析為主，同時受試驗設(shè)備價格和規(guī)模的限制，初學(xué)者往往很難在學(xué)習(xí)周期內(nèi)找到理論與實際運用中的聯(lián)系［4-6］。Simulink仿真實驗平臺能很好地將理論與實踐相結(jié)合，基于Simulink平臺搭建了單極式三相光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型。以光伏并網(wǎng)逆變器最常用的恒功率控制策略為背景［7］，通過單極式三相光伏并網(wǎng)逆變器在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型解釋了系統(tǒng)中有功分量和無功分量的耦合問題及解決辦法，給出了詳細的建模仿真步驟。以仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性，很好地將理論與實際相結(jié)合，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1 光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

單級式三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示［8］。

圖1 單級式三相光伏并網(wǎng)主電路

假設(shè)三相系統(tǒng)對稱，并網(wǎng)逆變器在三相靜止abc坐標(biāo)系下的電壓方程為：

在三相平衡情況下，系統(tǒng)只有兩個自由度，因此可以將三相系統(tǒng)簡化為兩相系統(tǒng)。將三相靜止坐標(biāo)系下的系統(tǒng)電壓方程變換到兩相垂直靜止αβ坐標(biāo)系下得：

在式（2）中，系統(tǒng)的變量仍然為交流量。由于典型的比例積分（Proportional Integral，PI）調(diào)節(jié)器無法實現(xiàn)交流量的無靜差控制，因此需要通過坐標(biāo)變換將靜止坐標(biāo)系中的交流量變成同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的直流量。變換后的系統(tǒng)電壓方程為：

式中，ω為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的同步角速度。在零初始狀態(tài)下對式（3）進行拉普拉斯變換［9］，得三相光伏并網(wǎng)逆變器在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的傳遞函數(shù)為［10］：

與式（4）對應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 同步坐標(biāo)系下系統(tǒng)模型

由圖2可見，并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型在d、q軸間存在耦合。為實現(xiàn)解耦控制，采用前饋解耦策略，如圖3所示，在并網(wǎng)逆變器輸出電壓中分別引入前饋量＋ωLId（s）和-ωLIq（s）。解耦后等效模型結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 引入前饋解耦的模型結(jié)構(gòu)

圖4 解耦后的等效模型結(jié)構(gòu)

2 恒功率控制仿真模型

恒功率控制是指光伏逆變器在最大功率點跟蹤控制的基礎(chǔ)上工作于恒定輸出有功功率和無功功率的控制模式［11］。本文采用基于電流閉環(huán)的矢量控制來實現(xiàn)逆變器恒功率輸出，因此首先討論dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下功率的表達式。

根據(jù)瞬時功率理論，電網(wǎng)側(cè)吸收的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的計算式分別為［12-13］：

式中，ed、eq和id、iq的值別為電壓電流矢量在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d、q軸上的投影值。根據(jù)式（5）可得電流指令計算模塊如圖5所示。

如圖6所示為單極式三相光伏并網(wǎng)逆變器在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下恒功率控制系統(tǒng)示意圖。和分別為三相光伏并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率的給定信號，的取值由光伏陣列實際輸出有功決定，的取值由系統(tǒng)需求決定。通過功率參考信號與測得的電網(wǎng)電壓實際值計算出參考電流指令。由參考電流指令與實際并網(wǎng)電流指令的誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器獲得逆變器輸出電壓指令，再通過空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術(shù)實現(xiàn)逆變器輸出電壓跟蹤電壓指令［14］。

建立三相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型［15］，如圖7所示，主電路由直流電源、同步脈沖觸發(fā)器、全控型開關(guān)橋、L濾波電路、負(fù)載和交流電源等部分組成。

設(shè)置系統(tǒng)交流電源有效值為220 V，頻率為50 Hz，負(fù)載容量為0.1 MW，濾波電感為0.5 mH，開關(guān)元件的開關(guān)頻率為15 kHz。經(jīng)過計算和調(diào)試，當(dāng)電流調(diào)節(jié)模塊的PI參數(shù)Kp和Ki分別取1.15和20能使系統(tǒng)穩(wěn)定并有較好的跟蹤效果。

圖5 電流指令計算模塊

圖6 恒功率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 系統(tǒng)仿真模型

3 仿真結(jié)果

設(shè)置仿真時間為0.5 s，有功功率參考值為1.2 kW，無功功率為0，即系統(tǒng)工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)，如圖8所示為系統(tǒng)并網(wǎng)電流波形。

圖8 并網(wǎng)電流仿真波形

由圖8可以看出，并網(wǎng)電流能夠以較快的速度達到穩(wěn)定值，且波形無畸變，說明在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI控制能夠?qū)崿F(xiàn)對正弦量的穩(wěn)定跟蹤。

為了比較解耦前和解偶后的控制效果，設(shè)置有功功率參考值在0.5 s時由1.2 kW突變?yōu)?.5 kW。無功功率參考值始終為0。仿真時間為1 s，解耦前和解耦后的逆變器輸出功率曲線分別如圖9和圖10所示。

由圖9、10可見，是否加入解耦量對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)果無影響。而在有功功率參考值突變時，解耦前無功功率受有功功率變化的影響比較明顯，解耦后無功功率幾乎不受有功功率動態(tài)變化的影響。這也說明了前饋解耦能夠有效消除同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下d軸分量和q軸分量之間的耦合。

圖9 解耦前系統(tǒng)輸出功率

圖10 解耦后系統(tǒng)輸出功率

4 結(jié) 論

利用Matlab／Simulink平臺搭建了基于恒功率控制策略的光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，詳細分析了兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下有功分量和無功分量之間的耦合關(guān)系和前饋解耦的原理。仿真結(jié)果表明前饋解耦策略能有效改善系統(tǒng)的耦合情況，與理論分析結(jié)果相符。