(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

當(dāng)下世界能源緊缺問題日益嚴(yán)重，石油、煤炭等傳統(tǒng)能源已進(jìn)入開采中末期，無法滿足人類未來的長期生存與發(fā)展。因此，國內(nèi)外均對太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生新能源進(jìn)行了大量的投入，并建立分布式電網(wǎng)將新能源發(fā)電作為一定的電力供應(yīng)，減輕對傳統(tǒng)能源的依賴[1]。其中，由于太陽能的清潔性和穩(wěn)定性使得光伏發(fā)電技術(shù)在新能源發(fā)電中占主要地位。

在光伏發(fā)電技術(shù)中，太陽能提供的熱能與光能通過太陽能電池板轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過DC/AC逆變過程轉(zhuǎn)化為交流電能輸送到電網(wǎng)中供用戶使用。因此，作為新能源與電能之間轉(zhuǎn)化接口的逆變器扮演著尤為重要的角色。然而，分布式電網(wǎng)中大量并網(wǎng)型逆變器接入電網(wǎng)會為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了一定的隱患，這逆變器的并網(wǎng)運行帶來了新的要求和挑戰(zhàn)[2]。

常見的并網(wǎng)光伏逆變器采用兩級式控制結(jié)構(gòu)，前級為太陽能最大功率點跟蹤(MPPT)的Boost/Buck電路，后級為三相全橋逆變電路。前級的DC/DC環(huán)節(jié)主要用于實現(xiàn)對光伏電池組的穩(wěn)壓，將直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，降低DC/AC環(huán)節(jié)的控制難度，保證逆變器輸出的穩(wěn)定性。為了降低仿真難度，本文在仿真中將前級DC/DC環(huán)節(jié)等效為一個理想電壓源。本文將以電力電子仿真軟件PLECS為仿真平臺，對5 kVA的三相光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行建模與并網(wǎng)仿真實驗以研究逆變器輸出的穩(wěn)定性。

2 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文將光伏逆變器模型的DC/DC環(huán)節(jié)等效為一個理想電壓源，DC/AC環(huán)節(jié)采用基于PI補償器的電流閉環(huán)控制以實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。該逆變器的DC/AC環(huán)節(jié)模型采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制，SVPWM是一種優(yōu)化的PWM技術(shù)，能夠明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分，且電壓利用率高，已成為DC/AC逆變環(huán)節(jié)的主要控制手段之一[3]。由于逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生的PWM電壓含有一定的諧波，因此本模型將采用LCL型濾波器進(jìn)行濾波，其較L型濾波器和LC型濾波器有著更好的高頻諧波濾波效果。另外，要實現(xiàn)逆變器穩(wěn)定的并網(wǎng)運行，需要加入鎖相環(huán)(PLL)進(jìn)行電網(wǎng)電壓的實時相位測量以實現(xiàn)逆變器的同相并網(wǎng)[4]。

圖1為所研究的三相光伏并網(wǎng)逆變器的原理圖，圖中的PV表示光伏電池陣列組，Udc為經(jīng)DC/DC升壓后的直流電壓；L1、Cf、L2、Rd分別為LCL型濾波器的逆變器側(cè)電感、濾波電容、電網(wǎng)側(cè)電感和阻尼電阻；Hi(s)為PI電流環(huán)調(diào)節(jié)器；ipa、ipb、ipc為并網(wǎng)公共點(PCC)的逆變器輸出電流；upa、upb、upc為并網(wǎng)公共點的逆變器輸出電壓。為了保證逆變器的并網(wǎng)質(zhì)量，模型采用dq域電流控制。

圖1 三相光伏并網(wǎng)逆變器原理圖

3 逆變器并網(wǎng)仿真實驗

3.1 搭建仿真模型

根據(jù)圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電力電子仿真軟件PLECS中建立對應(yīng)的仿真模型[5]，如圖2所示。仿真的并網(wǎng)系統(tǒng)將實時檢測并網(wǎng)公共點的電壓與電流，通過鎖相環(huán)PLL實時檢測電壓相角，電流通過abc/dq變換得到dq坐標(biāo)系下的電流分量，隨后通過PI控制器得到的控制信號再由dq/αβ變換得到αβ坐標(biāo)系下的控制分量，最后由SVPWM模塊產(chǎn)生IGBT開關(guān)管的驅(qū)動信號控制逆變器.的輸出電流，其中系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

在完成模型的搭建之后，隨即對模型進(jìn)行并網(wǎng)仿真。圖3為并網(wǎng)逆變器A相逆變橋臂的輸出電壓ua波形圖，從圖中可看出SVPWM能夠有效地實現(xiàn)對逆變器的控制，得到的相電壓為6拍階梯波。隨后，并網(wǎng)逆變器的橋臂輸出電壓經(jīng)過LCL型濾波器得到的PCC處三相電壓和電流波形如圖4所示，此時并網(wǎng)逆變器的輸出電流幅值設(shè)定給為5 A。從圖中可以看出，光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電流幅值穩(wěn)定在5A附近，輸出電壓幅值約為310V，可見逆變器能夠穩(wěn)定地并網(wǎng)運行。根據(jù)國家公共電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)文件，逆變器并網(wǎng)過程中電壓的總諧波畸變(THD)不能超過5%。因此，對該光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓進(jìn)行離散傅里葉變換分析(DFT)，再進(jìn)行THD值的計算可得電壓的總諧波畸變僅為0.18%，符合標(biāo)準(zhǔn)的并網(wǎng)運行。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

圖2 三相光伏并網(wǎng)逆變器PLECS模型

圖3 逆變器A相橋臂輸出電壓波形圖

圖4 濾波后并網(wǎng)公共點輸出電壓和輸出電流波形圖

4 結(jié)語

仿真軟件PLECS相比MATLAB擁有更低的系統(tǒng)資源占用率和更強大的編程模塊，使得在模型搭建和仿真實驗更加的簡易，而且其求解器性能與精度不亞于MATLAB，既保證了模型的準(zhǔn)確性也提高了仿真性能。本文以一個5 kVA的三相光伏并網(wǎng)逆變器為研究對象，在PLECS仿真平臺上研究了其在單一電流閉環(huán)控制下的并網(wǎng)運行狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，該并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和輸出電流較為平滑，并且能夠根據(jù)控制期望實現(xiàn)逆變器輸出的控制，證明了該模型的正確性。