光伏并網(wǎng)逆變器整體建模及仿真

1、第 4 期2012 年 7 月電 源 學(xué) 報(bào)Journal of Power SupplyNo.4July.2012池輝勇袁唐 欣袁吳定祥袁李雄杰(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院袁湖南 長(zhǎng)沙 410076冤摘要院建立了基于 Boost 變流器與單相全橋逆變器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器的整體電路模型遙 采用三端開關(guān)器件模型法建立了 Boost 變流器周期平均模型曰采用開關(guān)函數(shù)法袁利用傅里葉級(jí)數(shù)分析推導(dǎo)了基于倍頻式調(diào)制的逆變器直流側(cè)的輸入阻

2、抗袁 得出了其與電路參數(shù)之間的定量關(guān)系以及計(jì)算公式袁 并分析了調(diào)制方式對(duì)輸入阻抗的影響遙 仿真研究結(jié)果證明了所建模型與理論分析推導(dǎo)的正確性與可行性遙關(guān)鍵詞院光伏并網(wǎng)逆變器曰整體模型曰直流側(cè)等效阻抗曰兩級(jí)式中圖分類號(hào)院TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼院A 文章編號(hào)院2095-2805淵2012冤04-0078-08收稿日期院2012-03-13作者簡(jiǎn)介院池輝勇淵1978-冤袁男袁湖南常德人袁碩士袁研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變器,Email:c532306

3、4_911@hotmail.com遙唐 欣淵1975-冤,男,湖南邵東人,副教授,博士,研究方向?yàn)殡娏?電 子 技 術(shù) 及 應(yīng) 用 和 柔 性 交 流 輸 電 袁Email院tangx鄄in_csu@163.com遙隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展袁 分布式發(fā)電系統(tǒng)的增多袁電壓控制策略由于能很好地提供并網(wǎng)電能的質(zhì)量袁被越來越多的使用在并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中遙 為了達(dá)到精確控制袁需要建立合理堯精確的數(shù)學(xué)模型遙 現(xiàn)階段文獻(xiàn)中針對(duì)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)所提出的設(shè)計(jì)方案

4、袁 通常采用將系統(tǒng)分為 DC/DC 和 DC/AC 兩部分袁并用純電阻替代 DC/DC 變換器輸出負(fù)載的設(shè)計(jì)思路遙 由于 PWM 逆變器的輸入阻抗具有強(qiáng)非線性堯時(shí)變等特征袁當(dāng)它作為 DC/DC 的負(fù)載袁其直流側(cè)靜堯動(dòng)態(tài)行為對(duì)前端系統(tǒng)的建模堯仿真控制以及動(dòng)靜態(tài)性能都有重要的影響[1]袁用純電阻替代顯然欠妥當(dāng)曰另外為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效率的最大化袁需要 DC/DC 變換器與后級(jí)逆變器兩部分共同完成袁從動(dòng)態(tài)阻抗匹配的觀點(diǎn)[2]來說袁即需要兩級(jí)阻抗協(xié)

5、同匹配遙 當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大的時(shí)候袁也就是前后級(jí)變換器達(dá)到了工作的協(xié)同點(diǎn)[3]袁而分開建模由于沒有考慮逆變器級(jí)對(duì)系統(tǒng)最大功率的影響袁僅僅通過控制DC/DC 級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) MPPT 控制袁得到的系統(tǒng)最大功率以及性能指標(biāo)只是局部最優(yōu)而不是全局最優(yōu)遙 綜上所述袁建立光伏并網(wǎng)逆變器的整體模型對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)袁以及研究協(xié)調(diào)控制算法具有重要的意義遙針對(duì)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體建模袁國內(nèi)外文獻(xiàn)中近年來主要采用受控源模型法,文獻(xiàn)[4]將由光伏陣列袁

6、帶升壓變壓器的 DC/AC/DC 變流器堯?yàn)V波器堯DC/AC 逆變器組成的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)等效為 3 個(gè)子系統(tǒng)袁采用受控電流源和受控電壓源表征整流堯 逆變部分的電流和電壓袁 按照 KCL堯KVL 定律袁分別建立狀態(tài)方程進(jìn)行組合曰文獻(xiàn)[5]針對(duì)兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)袁 采用開關(guān)函數(shù)法并結(jié)合 KCL 與KVL 定律袁通過狀態(tài)變量的微分方程袁推導(dǎo)出矩陣形式的低頻高頻數(shù)學(xué)模型遙 以上兩種建模方法思路清晰袁提供了進(jìn)行數(shù)值計(jì)算仿真的有力模型袁但由于均

7、是一組非線性時(shí)變微分方程袁求解解析解難度高袁 不能直觀的反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電路運(yùn)行狀況袁對(duì)建立擾動(dòng)小信號(hào)電路模型堯設(shè)計(jì)控制器以及仿真顯得不夠直觀堯?qū)嵱眠b本文結(jié)合以上文獻(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足袁通過分析將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電量用電路模型表示袁旨在構(gòu)建能直觀的反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的真實(shí)情況遙 首先理論分析與仿真研究揭示了 PWM 逆變器直流側(cè)輸入阻抗與逆變器交流側(cè)電路參數(shù)之間的定量關(guān)系袁并給出了計(jì)算公式袁 得出了 R-el 形式的輸入阻抗等效模型遙通過該等效模

8、型并采用受控電壓源的形式袁前后連接 Boost 大信號(hào)模型與逆變器交流側(cè)并網(wǎng)模型組合成光伏并網(wǎng)逆變器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的整體電路模型遙 最電 源 學(xué) 報(bào) 電 源 學(xué) 報(bào) 總第 42 期中都省略 t冤袁由圖 4 可得 KVL,KCL 方程 淵參考方向如圖 4 所示冤院Ts+Ts-Ts=0 淵3冤Ts-Ts-Ts=0 淵4冤將式淵2冤 代入式淵3冤袁并注意到Ts=-Ts 帶入式淵3冤得Ts=(1-d)Ts 淵5冤將式淵1冤代入式淵4冤,并注意到Ts

9、=Il 得Ts=(1-d)Il 淵6冤又因?yàn)門s=Ts袁Ts=Ts袁Ts=Ts，Ts=Ts=Il袁代入式淵5冤堯淵6冤可得Ts=(1-d)TsTs=(1-d)Ts由上兩式可得變壓器匝比為(1-d):1袁嵌入到原電路圖中得到 Boost 電路的大信號(hào)模型如圖 6 所示遙圖 6 Boost 大信號(hào)模型1.2.1 逆變器交流側(cè)模型對(duì)一臺(tái)單相堯兩電平堯硬開關(guān)堯帶 LC 濾波器的PWM 逆變器袁無論采用半橋還是全橋堯單極性還是雙極性調(diào)制袁都可用圖

10、 7 所示的電路模型表示[7]遙 其中電阻 R 綜合了直流電源的等效串聯(lián)內(nèi)阻堯?yàn)V波電感的等效串聯(lián)電阻堯開關(guān)死區(qū)效應(yīng)等非理想因素遙圖 7 電壓型單相全橋 PWM 逆變器等效電路模型由于 Uab 是依賴于 SPWM 調(diào)制方式所形成的矩形脈沖序列袁 經(jīng)過 LC 低通濾波器濾波后諧波分量基本被抑制袁輸出端只有基波分量袁所以在整個(gè)逆變器交流側(cè)只有基波分量參與有功與無功的傳輸遙基于以上分析袁電壓源 Uab 可由基波的幅值堯相位堯頻率來表示遙 根據(jù)調(diào)

11、制度的定義為院m=U01m/Udc袁(U01m為基波幅值袁Udc 為前級(jí) Boost 變流器輸出電壓冤袁故經(jīng)以上分析可得院Uab=mUdcsin棕t 淵7冤1.2.2 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載模型為了便于研究系統(tǒng)功率與電路參數(shù)之間的定量關(guān)系袁希望建立包含功率 P 的電路模型袁為此作如下的分析與說明遙 首先作如下假設(shè)規(guī)定院淵1冤 系統(tǒng)輸出電壓與電網(wǎng)同頻堯同相堯同幅遙淵2冤 規(guī)定 U 為電網(wǎng)電壓有效值袁I 為電網(wǎng)電流有效值袁P 為光伏并網(wǎng)逆變器饋送給

12、電網(wǎng)的有功功率, 電網(wǎng)頻率為 50 Hz遙淵3冤 忽略圖 7 中等效損耗電阻 R 的影響遙當(dāng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)袁 由于電網(wǎng)電壓成剛性袁根據(jù)上述規(guī)定 1袁則可忽略電容 C 的影響曰另外袁由于系統(tǒng)的控制器不斷的檢測(cè)電網(wǎng)電壓與電流袁以便于動(dòng)態(tài)的根據(jù)電網(wǎng)狀況調(diào)整逆變器輸出袁 所以電壓堯電流以及功率淵包括它們的幅值堯相位冤在建模時(shí)可以作為已知量遙 經(jīng)以上分析袁可以將并網(wǎng)負(fù)載這一部分用純電阻 Requ=U2/P(P=UIcos琢)為來等效袁這樣既可以