光伏并网逆变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：本文分析了光伏并网系统的拓扑结构，阐述了光伏电池并网的控制策略，介绍了常用的两种最大功率追踪的控制算法。在此基础上，在PSCAD软件上建立了基于两级式非隔离型光伏并网系统的仿真模型，得出相应的仿真结果，并对所建仿真模型的控制策略进行了分析。

关键词：光伏并网 逆变器 仿真

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（c）-0045-02

1 光伏逆变并网的控制策略

1.1 拓扑结构分析

光伏阵列发出的直流电经过逆变器，实现直流电到交流电的变化，进而将电能输送到电网中。

对于并网逆变器而言，典型的并网策略是通过对逆变器的输出电流矢量的控制实现并网及网侧有功、无功的控制。并网逆变器并网基本控制策略可以概括为：首先根据并网控制给定的有功、无功功率的指令以及电网电压矢量，计算出所需的输出电流矢量I*，再由Ui=UL+E，并考虑，即可计算出并网逆变器交流侧输出的电压矢量指令Ui*，即；最后通过SPWM或者SVPWM控制使并网逆变器交流侧按指令输出所需电压矢量，以此进行逆变器并网电流的控制。

常见并网控制策略有基于电压定向的控制策略和基于虚拟磁链定向的控制策略。

1.2 逆变器控制方法

通常情况下，采用电流内环，电压外环控制方法。逆变器内环电流控制环节在同步旋转dq坐标下，逆变器输出电流的dq轴分量id、iq，分别与电流内环的电流参考值，进行比较，并通过相应的PI调节器控制输出对应的调制比Pmd、Pmq，最终实现对id、iq的无静差控制。

逆变器外环控制与其控制目标和参考坐标相关，逆变器通过外环控制输出相应的、。

1.3 利用电导增量法进行最大功率追踪

光伏发电的最大功率追踪（MPPT）算法有电导增量法和扰动观测法，其中，电导增量法从光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出的系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系。由光伏电池的P-U的特性曲线及dP/dU变化特征，可以知道在光照强度一定的情况下仅存在一个最大功率点，且在最大功率点的两边dP/dU符号相异，而在最大功率点出dP/dU=0。

光伏电池的瞬时输出功率为：P=UI。

两端对电压求导得：

（1）

观察P-V曲线，当功率达到最大时dP/dU=0。此时，dP/dU=-I/U。

由此可以得出：当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，系统处于最大功率点。因此，用ΔI/ΔU近似代替dI/dU，则电导增量法进行最大功率追踪的判断依据是：

，最大功率点左边

，

最大功率点 （2）

，最大功率点右边

2 光伏并网逆变器的仿真模型

2.1 仿真模型建立

根据两级非隔离型光伏并网系统的拓扑结构，可在PSCAD中建立如下仿真模型。根据仿真设定，光伏电池板的输入参数为光照强度和温度，ins为光照强度输入量，tmp為温度数值，经光伏效应将太阳辐射能转换成电能输出。光伏电池板输出的电压经BOST升压电路将电压抬高，然后通过一个DC/AC并网逆变器与电网并联。在光伏电池的出口侧串联一个二极管，防止反向电流流入光伏电池。其中，Eda为光伏电池输出电压，Eout为Bost升压电路输出电压。

主电路的仿真参数设置为：LC滤波电路，电感L=0.001H，电容C=500μF；Bost升压电路中的储能元件，电感L=0.02H，电容C=1.0m。

2.2 控制策略分析

为了实现PQ解耦控制，将abc三相的交流电气量转换成dq0坐标系下的直流量，同时由锁相环跟踪电网频率，为dq变换提供参考频率。电网电压u经dq变换得ud=um，uq=0，则旋转坐标系下功率可表示为：P=udid，。

因此，对功率的控制可以转换为对电流的控制，其中有功功率由d轴电流控制，无功功率由q轴电流控制。由式（1）计算得到d轴和q轴的参考电流值作为电流环的输入，电流控制环中包含电流状态反馈以及电网电压前馈补偿两项。输出的dq轴电压经过反变换后得到正弦调制信号，再通过SPWM控制三相逆变桥开断，从而得到与电网同频同相的电压信号，将其并入电网。

PI控制器的作用是根据差量进行调节，产生零稳态误差，以补偿非线性扰动。为保证输出电压及时跟踪电网电压，在电流环PI调节过程中，要确保电流控制误差为零，同时要使输出电流更接近正弦波，以便于对有功功率和无功功率进行控制，使DG具有灵活运行的能力。

3 光伏并网逆变器的仿真结果分析

对上述仿真模型进行仿真，可得出以下仿真波形及分析结果。设定光伏阵列表面温度保持在25°，光照强度为5s时由1000W/m2减小到600W/m2，仿真时间为定为10s。光照强度发生阶跃变化时，可以看出光伏电池响应速度较快，调节时间短，且输出功率曲线光滑平稳；可以看出在稳态运行时，系统始终保持输出几乎为零，在扰动影响下也能较快恢复，这说明光照强度的变化对无功功率的输出影响不大。

从光伏阵列的P-U输出曲线可以看出，光伏阵列开始工作在1000W/m2条件下，当光伏系统在光照强度发生阶跃变化时，MPPT控制模块能够寻找到该光照条件下对应的最大功率点，并始终工作在该最大功率点附近。

当太阳光照强度始终保持在1000W/m2，温度在5s时从25℃降低到10℃。当温度升高时，光伏的出力下降，并且相对于光照强度改变时，有功功率的变化范围较小，无功功率在阶跃扰动下的变化较小，能够快速地恢复到设定值，逆变器很好地跟踪了光伏阵列的最大输出功率。

在光伏电池在温度变化时对应的P-U曲线也发生变化，对应的最大功率点处的功率增加，电压也增大。

4 结语

本文介绍了基于工程计算的光伏电池的并网拓扑结构、并网控制、最大功率跟踪算法以及逆变器并网的控制策略。在此基础上，在PSCAD软件上搭建了两级式光伏并网逆变器的仿真模型，通过对光伏并网控制电路的介绍，分析了该仿真模型的并网控制策略。该模型的仿真分析结果表明，在温度和光照强度的扰动下，系统的输出性能良好，能够实现最大功率跟踪。

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