基于PLECS的三相并网光伏逆变器仿真研究
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Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ������ Ｏｖｅｒ ｔｈｅ
ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙꎬｔｈｅ ｆｒｏｎｔ￣ｓｔａｇｅ ＤＣ / ＤＣ ｌｉｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＰＰＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｔｕｄｙ������ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａ ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ￣ｂｒｉｄｇｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔ￣ ｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｄｑ ｄｏｍａｉｎ������ Ａｆｔｅｒｗａｒｄꎬｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅꎬＰＬＥＣＳꎬｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｐｒｏｃｅｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ������ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎ￣ ｔｒｏｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｍｏｄｅꎬｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ.
６２
« 电气开关» (２０１８. Ｎｏ. ３)
２ 主电路拓扑结构
本文将光伏逆变器模型的 ＤＣ / ＤＣ 环节等效为一 个理想电压源ꎬＤＣ / ＡＣ 环节采用基于 ＰＩ 补偿器的电 流闭环控制以实现单位功率因数并网ꎮ 该逆变器的 ＤＣ / ＡＣ 环节模型采用空间矢量脉宽调制( ＳＶＰＷＭ) 控 制ꎬＳＶＰＷＭ 是一种优化的 ＰＷＭ 技术ꎬ能够明显减小 逆变器输出电流的谐波成分ꎬ且电压利用率高ꎬ已成为 ＤＣ / ＡＣ 逆变环节的主要控制手段之一[３] ꎮ 由于逆变环 节产生的 ＰＷＭ 电压含有一定的谐波ꎬ因此本模型将采用 ＬＣＬ 型滤波器进行滤波ꎬ其较 Ｌ 型滤波器和 ＬＣ 型滤波器
有着更好的高频谐波滤波效果ꎮ 另外ꎬ要实现逆变器稳 定的并网运行ꎬ需要加入锁相环(ＰＬＬ)进行电网电压的实 时相位测量以实现逆变器的同相并网[４] ꎮ
图 １ 为所研究的三相光伏并网逆变器的原理图ꎬ 图中的 ＰＶ 表示光伏电池阵列组ꎬＵｄｃ为经 ＤＣ / ＤＣ 升压 后的直流电压ꎻＬ１ 、Ｃｆ 、Ｌ２ 、Ｒｄ 分别为 ＬＣＬ 型滤波器的 逆变器侧电感、滤波电容、电网侧电感和阻尼电阻ꎻＨｉ ( ｓ) 为 ＰＩ 电 流 环 调 节 器ꎻ ｉｐａ 、 ｉｐｂ、 ｉｐｃ 为 并 网 公 共 点 ( ＰＣＣ) 的逆变器输出电流ꎻｕｐａ 、ｕｐｂ、ｕｐｃ 为并网公共点的 逆变器输出电压ꎮ 为了保证逆变器的并网质量ꎬ模型 采用 ｄｑ 域电流控制ꎮ
常见的并网光伏逆变器采用两级式控制结构ꎬ前 级为太阳能最大功率点跟踪( ＭＰＰＴ) 的 Ｂｏｏｓｔ / Ｂｕｃｋ 电 路ꎬ后级为三相全桥逆变电路ꎮ 前级的 ＤＣ / ＤＣ 环节主 要用于实现对光伏电池组的稳压ꎬ将直流侧电压稳定 在一定范围内ꎬ降低 ＤＣ / ＡＣ 环节的控制难度ꎬ保证逆 变器输出的稳定性ꎮ 为了降低仿真难度ꎬ本文在仿真 中将前级 ＤＣ / ＤＣ 环节等效为一个理想电压源ꎮ 本文 将以电力电子仿真软件 ＰＬＥＣＳ 为仿真平台ꎬ对 ５ ｋＶＡ 的三相光伏并网逆变器进行建模与并网仿真实验以研 究逆变器输出的稳定性ꎮ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒꎻＳＶＰＷＭꎻＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌꎻＰＬＥＣＳ
１ 引言
当下世界能源紧缺问题日益严重ꎬ石油、煤炭等传 统能源已进入开采中末期ꎬ无法满足人类未来的长期 生存与发展ꎮ 因此ꎬ国内外均对太阳能、风能、潮汐能 等可再生新能源进行了大量的投入ꎬ并建立分布式电 网将新能源发电作为一定的电力供应ꎬ减轻对传统能 源的依赖[１] ꎮ 其中ꎬ由于太阳能的清洁性和稳定性使 得光伏发电技术在新能源发电中占主要地位ꎮ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ Ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ＰＬＥＣＳ
ＴＡＯ Ｙｕｎ￣ｆｅｎｇ ( Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕａｎｇｘｉ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｎｉｎｇ ５３０００４ꎬＣｈｉｎａ)
« 电气开关» (２０１８. Ｎｏ. ３)
６１
文章编号:１００４ － ２８９Ｘ(２０１８)０３ － ００６１ － ０３
基于 ＰＬＥＣＳ 的三相并网光伏逆变器仿真研究
陶云峰
( 广西大学电气工程学院ꎬ广西 南宁 ５３０００４)
摘 要:本文对一种三相光伏并网逆变器进行了仿真实验研究ꎮ 在研究过程中ꎬ本文将该逆变器前级 ＭＰＰＴ 控制 的 ＤＣ / ＤＣ 稳压环节视为一个理想电压源来降低研究难度ꎮ 该逆变器的主电路采用基于 ＳＶＰＷＭ 技术的三相全 桥拓扑结构ꎬ并采用 ｄｑ 域中基于 ＰＩ 控制的单电流控制策略ꎬ最后利用电力电子仿真软件 ＰＬＥＣＳ 作为仿真平台 对所研究的逆变器进行了仿真实验ꎮ 仿真实验结果表明ꎬ该三相光伏逆变器拥有较为优异的电流输出控制能力ꎬ 并能够稳定的进行并网运行ꎬ证明了该模型的正确性与可行性ꎮ 关键词:三相光伏并网逆变器ꎻＳＶＰＷＭꎻＰＩ 控制ꎻＰＬＥＣＳ 中图分类号:ＴＭ４６４ 文献标识码:Ｂ
在光伏发电技术中ꎬ太阳能提供的热能与光能通 过太阳能电池板转化为直流电能ꎬ再通过 ＤＣ / ＡＣ 逆变 过程转化为交流电能输送到电网中供用户使用ꎮ 因 此ꎬ作为新能源与电能之间转化接口的逆变器扮演着
Βιβλιοθήκη Baidu
尤为重要的角色ꎮ 然而ꎬ分布式电网中大量并网型逆 变器接入电网会为电网的稳定运行带来了一定的隐 患ꎬ这逆变器的并网运行带来了新的要求和挑战[２] ꎮ
ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙꎬｔｈｅ ｆｒｏｎｔ￣ｓｔａｇｅ ＤＣ / ＤＣ ｌｉｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＰＰＴ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ ｏｆ ｓｔｕｄｙ������ Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａ ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ￣ｂｒｉｄｇｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｕｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔ￣ ｅｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｄｑ ｄｏｍａｉｎ������ Ａｆｔｅｒｗａｒｄꎬｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅꎬＰＬＥＣＳꎬｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｐｒｏｃｅｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｉｎｖｅｒｔｅｒ������ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈａｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎ￣ ｔｒｏｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｍｏｄｅꎬｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ.
６２
« 电气开关» (２０１８. Ｎｏ. ３)
２ 主电路拓扑结构
本文将光伏逆变器模型的 ＤＣ / ＤＣ 环节等效为一 个理想电压源ꎬＤＣ / ＡＣ 环节采用基于 ＰＩ 补偿器的电 流闭环控制以实现单位功率因数并网ꎮ 该逆变器的 ＤＣ / ＡＣ 环节模型采用空间矢量脉宽调制( ＳＶＰＷＭ) 控 制ꎬＳＶＰＷＭ 是一种优化的 ＰＷＭ 技术ꎬ能够明显减小 逆变器输出电流的谐波成分ꎬ且电压利用率高ꎬ已成为 ＤＣ / ＡＣ 逆变环节的主要控制手段之一[３] ꎮ 由于逆变环 节产生的 ＰＷＭ 电压含有一定的谐波ꎬ因此本模型将采用 ＬＣＬ 型滤波器进行滤波ꎬ其较 Ｌ 型滤波器和 ＬＣ 型滤波器
有着更好的高频谐波滤波效果ꎮ 另外ꎬ要实现逆变器稳 定的并网运行ꎬ需要加入锁相环(ＰＬＬ)进行电网电压的实 时相位测量以实现逆变器的同相并网[４] ꎮ
图 １ 为所研究的三相光伏并网逆变器的原理图ꎬ 图中的 ＰＶ 表示光伏电池阵列组ꎬＵｄｃ为经 ＤＣ / ＤＣ 升压 后的直流电压ꎻＬ１ 、Ｃｆ 、Ｌ２ 、Ｒｄ 分别为 ＬＣＬ 型滤波器的 逆变器侧电感、滤波电容、电网侧电感和阻尼电阻ꎻＨｉ ( ｓ) 为 ＰＩ 电 流 环 调 节 器ꎻ ｉｐａ 、 ｉｐｂ、 ｉｐｃ 为 并 网 公 共 点 ( ＰＣＣ) 的逆变器输出电流ꎻｕｐａ 、ｕｐｂ、ｕｐｃ 为并网公共点的 逆变器输出电压ꎮ 为了保证逆变器的并网质量ꎬ模型 采用 ｄｑ 域电流控制ꎮ
常见的并网光伏逆变器采用两级式控制结构ꎬ前 级为太阳能最大功率点跟踪( ＭＰＰＴ) 的 Ｂｏｏｓｔ / Ｂｕｃｋ 电 路ꎬ后级为三相全桥逆变电路ꎮ 前级的 ＤＣ / ＤＣ 环节主 要用于实现对光伏电池组的稳压ꎬ将直流侧电压稳定 在一定范围内ꎬ降低 ＤＣ / ＡＣ 环节的控制难度ꎬ保证逆 变器输出的稳定性ꎮ 为了降低仿真难度ꎬ本文在仿真 中将前级 ＤＣ / ＤＣ 环节等效为一个理想电压源ꎮ 本文 将以电力电子仿真软件 ＰＬＥＣＳ 为仿真平台ꎬ对 ５ ｋＶＡ 的三相光伏并网逆变器进行建模与并网仿真实验以研 究逆变器输出的稳定性ꎮ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ:ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒꎻＳＶＰＷＭꎻＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌꎻＰＬＥＣＳ
１ 引言
当下世界能源紧缺问题日益严重ꎬ石油、煤炭等传 统能源已进入开采中末期ꎬ无法满足人类未来的长期 生存与发展ꎮ 因此ꎬ国内外均对太阳能、风能、潮汐能 等可再生新能源进行了大量的投入ꎬ并建立分布式电 网将新能源发电作为一定的电力供应ꎬ减轻对传统能 源的依赖[１] ꎮ 其中ꎬ由于太阳能的清洁性和稳定性使 得光伏发电技术在新能源发电中占主要地位ꎮ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｈｒｅｅ￣ｐｈａｓｅ Ｇｒｉｄ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ＰＬＥＣＳ
ＴＡＯ Ｙｕｎ￣ｆｅｎｇ ( Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕａｎｇｘｉ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｎｉｎｇ ５３０００４ꎬＣｈｉｎａ)
« 电气开关» (２０１８. Ｎｏ. ３)
６１
文章编号:１００４ － ２８９Ｘ(２０１８)０３ － ００６１ － ０３
基于 ＰＬＥＣＳ 的三相并网光伏逆变器仿真研究
陶云峰
( 广西大学电气工程学院ꎬ广西 南宁 ５３０００４)
摘 要:本文对一种三相光伏并网逆变器进行了仿真实验研究ꎮ 在研究过程中ꎬ本文将该逆变器前级 ＭＰＰＴ 控制 的 ＤＣ / ＤＣ 稳压环节视为一个理想电压源来降低研究难度ꎮ 该逆变器的主电路采用基于 ＳＶＰＷＭ 技术的三相全 桥拓扑结构ꎬ并采用 ｄｑ 域中基于 ＰＩ 控制的单电流控制策略ꎬ最后利用电力电子仿真软件 ＰＬＥＣＳ 作为仿真平台 对所研究的逆变器进行了仿真实验ꎮ 仿真实验结果表明ꎬ该三相光伏逆变器拥有较为优异的电流输出控制能力ꎬ 并能够稳定的进行并网运行ꎬ证明了该模型的正确性与可行性ꎮ 关键词:三相光伏并网逆变器ꎻＳＶＰＷＭꎻＰＩ 控制ꎻＰＬＥＣＳ 中图分类号:ＴＭ４６４ 文献标识码:Ｂ
在光伏发电技术中ꎬ太阳能提供的热能与光能通 过太阳能电池板转化为直流电能ꎬ再通过 ＤＣ / ＡＣ 逆变 过程转化为交流电能输送到电网中供用户使用ꎮ 因 此ꎬ作为新能源与电能之间转化接口的逆变器扮演着
Βιβλιοθήκη Baidu
尤为重要的角色ꎮ 然而ꎬ分布式电网中大量并网型逆 变器接入电网会为电网的稳定运行带来了一定的隐 患ꎬ这逆变器的并网运行带来了新的要求和挑战[２] ꎮ