小论文光伏并网发电特性分析与仿真

光伏并网发电特性分析与仿真张菁 严干贵(1.东北电力大学电气工程学院电气工程及其自动化专业 13 届毕业生，吉林，吉林 132012；2. 东北电力大学电气工程学院，吉林，吉林 132012) 摘 要： 大规模开发利用清洁的可再生能源为解决能源可持续供应和环境保护提供了解决办法，光伏发电并网是实现太阳能大规模开发利用的有效途径，其中并网逆变器是光伏发电并网的接口装置，它直接关系到光伏发电运行性能。如何提高并网逆变器的运行性能是可再生能源发电并网领域的重要研究课题。关键词 ： 光伏并网发电；三相并网逆变器；电网电压矢量定向控制； PSCAD 仿真中图分类号： TM 713 文献标识码： A 1 引 言随着太阳能光伏发电系统的性价比提高，世界多国政府对光伏并网发电的发展给予高度重视， 作为光伏并网发电核心装置的并网逆变器也备受学术界的关注。 较早出现的逆变主回路由不可控二极管构成， 该种主回路结构简单， 且逆变输出的电流中谐波含量较大， 对电网的污染也较大。 半控二极管的出现使逆变电路在控制过程中可以改变输出电压的大小和极性， 但是逆变输出的电流中同样含有较高的谐波分量， 也会对电网产生污染， 且产生的功率因数也较低。 20 世纪 80 年代，日本学者 S.Nonaka 等 [1]率先研制成功一种基于电流型PWM 整流器拓扑结构的光伏阵列并网逆变器，取得了较好的控制性能。随着电力电子器件性能及逆变器控制技术的发展，基于电压型 PWM 逆变器拓扑结构的光伏并网逆变器及控制技术已成为光伏发电系统的核心技术之一。本文主要研究了三相光伏并网逆变器的运行性能，确定了其拓扑结构并构建了不同坐标系下的数学模型，分析了主要的控制策略并在所研究的控制策略下在 PSCAD 仿真平台上实现了不同工况下的仿真。2.单级式三相光伏逆变系统光伏发电系统分为独立光伏发电系统、 并网光伏发电系统、 混合型光伏发电系统， 本文选择光伏并网发电系统； 在并网光伏系统中， 按照逆变器的级数又可分可分为单级式、 双级式和多级式。 按是否带电气隔离又分为隔离型结构和非隔离型结构， 本文选择了单级式直接耦合式；按输入直流电源的性质，可将逆变器分为：电流型逆变器和电压型逆变器，本文选择电压型逆变器； 逆变器按主电路的拓扑结构分类， 主要有半桥逆变器、 全桥逆变器和推挽逆变器，本文选择全桥逆变器。综上所述，本文构造了单级式三相全桥并网逆变器。本文建立了单级式三相全桥逆变系统，并设置了 LCL 滤波器，具体电路如下图所示：PV阵列nT1 T5T3T6T4 T2PVi dcidcU1CcicUbUaU1i1L 2L1R 2R2CUsaUsbUsc图 2-1 LCL 型滤波器的三相光伏并网发电系统拓扑结构3 三相光伏并网逆变器建模及控制策略本章研究了三相电压型 PWM 整流器在静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型，并在此基础上，分析了电网电压矢量定向控制的工作原理和实现方法。3.1 坐标变换与数学模型建立(1) 静止坐标系数学模型对于三相并网逆变器的控制而言，采用基于同步旋转坐标系的控制设计 [2]十分方便， PI调节器的设计与整定比较容易。 由于该种控制方法是基于系统在同步坐标系下的数学模型进行控制系统设计的，因而先研究同步坐标系下并网逆变器的数学模型。由单级式三相光伏并网主电路图， 可得到在三相静止 abc 坐标系下， 并网逆变器的电压方程为dtdILRIEU abcabcabcabci (3-1) (2) 同步旋转坐标系数学模型坐标变换主要分为等功率变换和等量变换两类。二者的变换思路是一致的，区别仅在于等功率变换为正交变换。处于简化计算考虑， 本文均采用等量坐标变换。 当 abc 静止坐标系、 αβ0 静止坐标系和 dq0 同步旋转坐标系满足图 2 所示位置关系图 3-1 静止坐标系与旋转坐标系的关系图在零初始状态下，对式 (4-5)进行拉氏变换，可得到系统在同步旋转 dq 坐标系下并网逆变器频域的数学模型为sIRsLsILsEsUsIRsLsILsEsUdqddqdqq00(3-2) 在 dq 坐标系中， 并网逆变器的数学模型在 d、 q 轴间存在耦合。 为了解决这一问题， 我们需要选择一种控制策略进行解耦。3.2 控制策略的基本原理分析(1)前馈解耦策略为了实现 dq 轴的解耦控制，通常可以采用较为简单的前馈解耦 [3]策略，如图 (3-2)所示，即在并网逆变器输出交流电压中分别引入前馈量 +Lω 0Id(s)和 -Lω 0Id(s)，使其与耦合项-Lω 0Id(s)和 +Lω 0Id(s)分别进行对消，从而实现了 dq 轴间的解耦，解耦后的系统模型转化为相互独立且完全对等的两部分，如图 (3-2b)所示。Uq(s)Ud(s)Eq(s)Ed(s)Lω 0Lω 0RsL1RsL1Iq(s)Id(s)sIdL 0sIqL 0Uq(s)Ud(s)Eq(s)Ed(s)RsL1RsL1Iq(s)Id(s)(a) (b) 图 3-2 引入前馈就的模型结构(a)前馈解耦引入的结构示意 (b)解耦后的等效模型结构前馈解耦实际上是一种开环解耦方案， 其控制简单且不影响系统稳定性， 然而这种前馈解耦的性能取决于系统参数， 因而难以实现完全的解耦， 实际上， 前馈解耦是一种削弱耦合的补偿控制。因此，我们引入双闭环解耦控制方式。(2)双闭环解耦控制方式控制系统由直流电压外环和有功、 无功内环组成。 直流电压外环的作用是为了稳定的调节直流电压，显然，引入直流电压反馈并通过一个 PI 调节器即可实现直流电压的无静差控制。由于直流电压的控制可通过 Id 的控制来实现，因此直流电压外环 PI 调节器的输出量即为有功电流内环的电流参考值 Id*，从而对并网逆变器输出的有功功率进行调节。无功电流内环的电流参考值 Iq*则是根据需向电网输送的无功功率参考值 q* （由 q* =e dIq*运算）而得，当令 Iq*=0 时，并网逆变器运行于单位功率因数状态，即仅向电网输送有功功率。电流内环是在 dq 坐标系中实现控制的， 即并网逆变器输出电流的检测值 Ia、 Ib、 I c 经过abc/ αβ /dq 的坐标变换转换为同步旋转 dq 坐标系下的直流量 I d、 I q，将其与电流内环的电流参考值 Id*、 I q* 进行比较，并通过相应的 PI 调节器控制分别实现对 Id、 Iq 的无静差控制。电流内环 PI 调节器的输出信号经过 dq/αβ 逆变换后，即可通过空间矢量脉宽调至（ SVPWM）得到并网逆变器相应的开关驱动信号 Sa、 Sb、 Sc，从而实现逆变器的并网控制。其中， Sa、Sb、 Sc 分别为并网逆变器开关调制时 a、 b、 c 各相的开关函数。当上桥开关管导通时，令Sx(x=a,b,c )=1，而当下桥开关管导通时，令 Sx(x=a,b,c )=0。另外，图 (4-5) 中的坐标变换的相角信息 γ 的表达式为2222cossineeeeee(3-3) 其中的 eα 、 eβ 值是通过检测电网电压 (ea， eb， ec)并经过 abc/ αβ 的坐标变化运算得到的。若采用前馈解耦 [4]控制， 且采用电网电压的前馈控制以补偿电网电压变换对系统控制的影响，解耦后的 Id 电流内环控制结构如图 (3-3)所示（ Iq 电流环与 I d 电流环相同） 。当开关频率足够高时，其逆变桥的放大特性可由比例增益 KPWM 近似表示。PI PWMK RsL1 di*di图 3-3 电流内环控制结构前面的分析表明，并网逆变器的直流电压是通过逆变器的有功功率 p 即有功电流 I d 进行控制的，而知： cdc idtduC ，idcc iii 。因此要构建并网逆变器的直流电压外环，关键在于求得电流内环的输出 I d 与逆变桥直流输入电流 Idc 之间的传递关系。实际上，由 dddcdc ieuip23 ，可得dcdddc uiei23 ，若令稳态时 udc=U DC，则DCdddc Uiei23(3-4) 从而可得直流侧电压外环的控制结构，如图 (3-4)所示。PI sGcDCdUe23sC1*dcu *di di dci ciiidcu图 3-4 电压外环控制结构4 光伏并网逆变器 LCL 滤波器的设计在光伏并网系统中， 对逆变器并网电流的谐波有严格的限制 [5]要求， 即要求并网电流的总谐波畸变率（ THD ）足够小（一般要求并网电流的 THD ≤ 5%） 。因此并网逆变器的输出滤波器 [35]设计就极为关键，对于小功率并网逆变器，由于开关频率较高，一般常采用 L 型或LC 型滤波器设计，而对于大功率并网逆变器，由于开关频率不高，为有效降低滤波器体积和损耗，则常采用 LCL 型滤波器设计。与传统 L 滤波相比，采用 LCL 滤波器可以有效地减小电流中的开关频率及其倍数次谐波，且在同等滤波效果下， LCL 滤波器的总电感量比 L 滤波器小得多，有利于提高电流动态性能，使直流电压的取值更为合理，同时能降低成本，减小装置的体积、重量。在中大功率应用场合， LCL 滤波器的优势更为明显。然而，如果 LCL 滤波器元件参数设计不合理，则可能引起谐振，会严重影响系统的稳定性。本文将在 LCL 滤波器原理介绍的基础上，建立 LCL 滤波器的数学模型，并给出了 LCL滤波器参数设计原则，同时确定了 500kW 光伏并网逆变器 LCL 滤波器的设计案例。5 三相光伏并网逆变器仿真及结果分析5.1 光伏并网逆变器主电路结构带 LCL 型滤波器的三相光伏并网发电系统的拓扑结构如下图所示：PV阵列nT1 T5T3T6T4 T2PVi dcidcU1CcicUbUaU1i1L 2L1R 2R2CUsaUsbUsc图 5-1 LCL 型滤波器的三相光伏并网发电系统拓扑结构5.2 仿真结果如下：(1)得到并网电压电流如图 (5-2)所示：Converter_Controls : Graphs3.800 3.820 3.840 3.860 3.880 3.900 3.920 3.940 3.960 .-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 yIga Uga图 5-2 并网电压电流输出波形电网电压与并网输入电流的波形， 由图中可以看出电网电压与并网电流基本同相， 说明并网电流谐波含量较小，系统基本可以以单位功率因数将能量传送至电网。(2)在 2s 时改变光照，得到电压电流如下图所示：Converter_Controls : Graphs2.920 2.940 2.960 2.980 3.000 3.020 3.040 3.060 3.080 .-1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 yIga Uga图 5-3 2s 改变光照时并网电压电流输出波形改变光照后，并网电压变化微弱，并网电流变化明显。(3)该系统使用了 LCL 滤波器，下图为滤波前和滤波后的电压电流波形滤 波 前 电 压 和 电 流0.300 0.310 0.320 0.330 0.340 0.350 0.360 0.370 .-1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 yI1a-2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 yIga图 5-4 LCL 滤波前后电压输出波形通过该仿真结果可以看出， 滤波前波形中含有高次谐波， 滤波后波形中无毛刺， 说明滤波效果较好。(4)有功无功电流对比图Igd-Igq0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 .-1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 yIgd Igq图 6-6 有功电流和无功电流对比图由图可知，有功电流变化时，无功电流保持为零不变。结 论光伏三相并网逆变器是光伏发电并网系统的核心部分，本文重点对其工作运行性能和并网控制策略进行了分析。论文的主要工作如下：1． 综述了国内外并网逆变器的研究状况以及相关并网技术标准。 选取单级三相全桥光伏并网逆变器。2．分析并网运行情况下三相并网逆变器的工作原理以及 d-q 坐标系下三相并网逆变器的数学模型， 通过公式变换， 可以看出 d 轴和 q 轴上的控制变量之间具有耦合作用。 这里采用了前馈解耦策略，通过 id、 iq 的控制实现并网逆变器有功、无功的控制。此外，为了加强解耦的效果，我们引入了双闭环解耦控制策略，将 id、 iq 与电流内环的参考值 id *、 iq*进行比较，并通过 PI 调节器实现 id、 iq 的无静差调节。3．建立了 LCL 三相桥式滤波器的数学模型。给出了 LCL 滤波器工程设计的原则，并通过 500kW 光伏并网逆变器 LCL 滤波器的设计进行了实例验证。参考文献[1] Zeng Qingrong. Study of Advanced Current Control Strategies for Three-phase Grid-connected PWM Inverters for Distributed Generation[J].IEEE(CCA),2005:1311-1316. [2] 张兴，曹仁贤，等 .太阳能光伏并网发电及其逆变控制 [M]. 机械工业出版社， 2010. [3] 陈瑶 .直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究 [D]. 北京交通大学博士学士论文，2008. [4] M Malinowski,M Jasinski,M P Kazmierkowski.Simple direct power control of three-PWM rectifier using space-vector modulation(DPC-SVM)[J] .IEEE,2004,51(2):447-454. [5] 朱晓亮 .基于电网电压定向三相并网逆变器的研究 [D]. 南京航空航天大学硕士学位论文，2010. Simulation of Control Strategy Design of Photovoltaic Grid-connected Power Generation Unit Zang-jing Yan Gan-gui (1.Electrical Engineering College of Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012 ； 2. Electrical Engineering College of Northeast Dianli University,Jilin City,Jilin Province,China,132012) Abstract： Large-scale development and utilization of clean and renewable energy offer solutions to solve the sustainable energy supply and environment protection. Photovoltaic grid-connected power generation is the effective way to achieve the large-scale development and utilization of solar energy. The grid-connected inverter is the interface device of the photovoltaic grid-connected power generation. It is directly related to the photovoltaic performance. How to improve the operation performance of grid-connected inverter is an important issue in the field of renewable energy grid-connected power generation. Key words： photovoltaic grid-connected power generation;three phase grid-connected inverter; voltage vector oriented control; PSCAD simulation作者简介：张菁（ 1991-） ，女，学士，东北电力大学电气工程学院电气工程及其自动化系 13 届毕业生严干贵（ 1971-） ，男，博士，东北电力大学电气工程学院院长，研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用