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能源科学与设备工程进展II - Zhou，Patty＆Chen（编辑）

copy;2017泰勒和弗朗西斯集团, 伦敦, 国际标准书号 978-1-131-7798-5

不同太阳辐射条件下光伏逆变器的仿真分析

mxchen amp; slma amp; l.huang amp; jwwu

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京

王市

昌平供电公司，中国北京

摘要：并网逆变器被认为是光伏（PV）系统的重要组成部分。在光伏并网系统中，逆变器的主要要求是从源获得最大输出功率并具有良好的动态性能。本文介绍了在不同太阳辐射水平条件下光伏并网逆变器的控制策略。建立了两个控制目标：首先，DClink电压保持在稳定的工作点。其次，根据并网电流控制的要求跟踪电流回路参考。在MATLAB / SIMULINK中建立了仿真模型，以验证所提控制策略的有效性和可行性。

关键词：光伏电池;双回路级联控制;光伏逆变器;nw33

1. 一般说明

全球能源消耗的快速增长加速了对更环保能源的需求。有很多清洁能源类型，如太阳能，风能，海潮，地热和生物质。其中，来自太阳能的PV由于其实施简单且维护较少而更为可取（Borowy B.，1996; Zhou，2011; ZHANG，2012）。如今，光伏系统已经见证了巨大的需求，因为它们有巨大的潜力成为我们现在用来替代我们日益减少的化石燃料能源的最简单的解决方案（LU，2009; WANG，2008）。光伏并网系统的研究一般可分为两部分：第一部分是光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）技术;第二部分主要关注电力电子变流器的控制策略（王，2010）。

1. 光伏发电结构
   1. 光伏发电拓扑

光伏并网系统是太阳能发电的主要研究方向之一。目前，电压源输入和电流源输出控制方法已广泛应用于光伏并网逆变器中。其控制目标是：带网格的逆变器输出电流保持在

相同的频率和相位（功率因数），输出电压和电流需要满足电能质量要求。并网逆变器的拓扑结构是逆变器的关键部分，与逆变器的效率和成本有关。通常，拓扑结构大致可分为两类，单级和两级模型。

在分布式能源的电网连接的不同拓扑结构的可能选择中，单级方法是最简单且成本有效的拓扑之一。此外，这种系统可以在微电网中用作能量管理系统的一部分，如图1所示。

逆变器

格

光伏

加载

图1单级光伏并网系统的典型配置

如图1所示，DC链路电容器连接在太阳能电池和并网逆变器之间。控制器检测并接收光伏电池模块的输出电压和输出电流，以及逆变器输出的并网电流。通过调节并网电流的幅度并控制PV模块的输出功率，实现了最大功率点跟踪和并网发电。如果没有单级PV系统中的升压转换器，则功率的传输受到限制。

两级光伏系统分为两部分，即DC / DC升压转换器和DC / AC逆变器。

三相静态坐标系中逆变器的数学模型是：

促进

逆变器

dt的

 u 

e  i 

光伏 



  

迪

 sa

sa sa

格

lsb  u

  e

  R i 

  sb





加载

图2两级光伏并网系统的典型配置

如图2所示，DC / DC升压转换器

连接到PV电池板将DC链路的电压升高到DC / AC逆变器的适当电平。三相DC / AC逆变器在网格中产生适当的正弦电流，具有基于MPPT和锁相环（PLL）算法的单位功率因数。

DC / DC转换器和DC / AC逆变器在两级PV系统中彼此独立，每个都具有独立的本地控制策略和目标。控制链路的设计和实现相对方便。

• 1. 光伏逆变器数学模型

电压源型并网光伏逆变器系统是有源和无功功率控制的交流侧可实现的最常见的逆变器之一。本文选用三相电压型逆变器作为研究对象。

图3三相光伏逆变器的主电路

图3显示了三相光伏逆变器的主电路拓扑结构。被定义为太阳能电池的Upv与升压电路输出侧，即逆变器的PV逆变器DC链路侧和DC侧并联大电容器C，以稳定DC侧电压。组成L型滤波器的串联Ls和Rs利用SVPWM技术衰减从逆变器产生的电网中注入的谐波。

当并网逆变器稳定时，在逆变电压的交流侧和同一频率上运行的电网电压，逆变器稳态等效电路，不考虑逆变器损耗和电抗器的等效电阻，可以进一步逆变器的等效电路和简化。因此，有：

• 1. 控制策略

基于电网电压定向的并网逆变器控制策略如图4所示。

逆变器



S

1 3

S

S

5

a

u

L

sa

i

sa

S R

S

e

sa

C

usb isb

光伏

b

c

u

sc

i

sc

esb

0

esc

S4 S 6

S

2



isa isb isc

美国广播公司

esaesb

esc



斯特普武

U*

i

es

es

s s

U*



s

 

i

s



dq

dq

帕gt;电子

I*

– 圆周率

sd

- pi

i的sd

i平方

I* 0

–

圆周率

q

U

*

U

光伏

图4光伏逆变器的控制策略

通过对PV板电压和电流进行采样，可以设置适当的控制算法。直流母线电压控制算法给出注入的电流参考。此外，PLL算法使注入的电流与电网电压同步。关于单相逆变器的PLL算法的广泛讨论可以在各种论文中找到。

从图4可以看出，控制回路是双回路控制系统，即直流电压外回路和有功和无功电流内环。在DC电压外环中，将测量值与给定值进行比较。PI调节装置的差异可以实现直流电压控制，零稳态误差，直流电压外环稳定，直流电压调节。可以实现DC电压控制。因此，有效电流的内环的电流参考值由DC电压外环的输出给出，使得并网逆变器的输出有功功率的控制是实用的。

Us 

jLs Is  Es

C13

1. 仿真分析
   1. 模拟参数

在Matlab / Simulink仿真软件平台上模拟了两级光伏系统的控制策略。单片光伏板参数见表1，具有5个太阳能电池单体系列，并联20组，即共100个光伏电池单板形式的光伏阵列电源的整体系统模拟。仿真参数如表1所示。仿真模型如图5所示。

表1模拟参数

设置 值

UocCV3	221.5
isca3	102
UmCV3	175
ImCA3	99.2
PmCkW3	17.4
UocCV3	300
isca3	10
CCuF3	10
LCmH3	3
LfCmH3	50
f_gridCHz3	311
UmCV3	221.5

为5.4千瓦;在光照强度方面，太阳能电池输出功率为10.6千瓦。

从以上仿真结果可以看出，逆变器控制方法和太阳能电池模型是正确的。在光强度突然增大或减小的情况下，逆变器可以快速准确地跟踪功率输出。直流母线电压在突变时刻保持700 V的稳定性，以确保输出功率的稳定性。逆变器在光强变化过程中输出三相电流仍然与电网保持单位功率因数。

40

30

20

10

Curre nt(A)

0

-10

-20

-30

-40

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

t(s)

图5变频器输出三相电流

40

30

20

• 1. 模拟结果

图5和图6显示了逆变器输出三相电流。如图5所示，逆变器在启动0.08s（4个周期）后进入稳态输出，在1000 W / m2 的辐射强度下，电流幅度稳定在37.5 A左右;0.4秒后，太阳辐射的光强度变为600 W / m2，0.04 s（两个栅格周期）后的逆变器进入稳定状态，输出电流幅度稳定在11A左右;然后是光的强度

从600 W / m2 0.7 s突然增加到800 W / m2，逆变器输出电流保持稳定状态

在网格循环后输出，输出电流幅度保持稳定在23A。

如图8所示，直流母线电压在0.14 s时保持稳定状态，直流母线电压幅度为700 V.

在0.4 s时，随着光强度突然波动，直流环节电压在三个电网周期内恢复到700 V。在0.7 s时，随着辐射强度的突然增加，直流环节电压在两个电网周期内恢复到700 V，表明直流电压环控制具有很强的抗干扰能力。

如图9所示，根据太阳辐射强度和功率输出的设置，太阳能电池的输出功率为18kW;在辐射强度下，太阳能电池的输出功率

10

0

Curre nt(A)

-10

-20

-30

-40

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55

t(s)

图6逆变器输出三相电流（0.35s~0.55s）

40

30

20

10

Curr

资料编号：[4657]