光伏并網逆變器整體建模及仿真

1、第 4 期2012 年 7 月電 源 學 報Journal of Power SupplyNo.4July.2012池輝勇袁唐 欣袁吳定祥袁李雄杰(長沙理工大學 電氣與信息工程學院袁湖南 長沙 410076冤摘要院建立了基于 Boost 變流器與單相全橋逆變器級聯結構的光伏并網逆變器的整體電路模型遙 采用三端開關器件模型法建立了 Boost 變流器周期平均模型曰采用開關函數法袁利用傅里葉級數分析推導了基于倍頻式調制的逆變器直流側的輸入阻

2、抗袁 得出了其與電路參數之間的定量關系以及計算公式袁 并分析了調制方式對輸入阻抗的影響遙 仿真研究結果證明了所建模型與理論分析推導的正確性與可行性遙關鍵詞院光伏并網逆變器曰整體模型曰直流側等效阻抗曰兩級式中圖分類號院TM464 文獻標志碼院A 文章編號院2095-2805淵2012冤04-0078-08收稿日期院2012-03-13作者簡介院池輝勇淵1978-冤袁男袁湖南常德人袁碩士袁研究方向為光伏并網逆變器,Email:c532306

3、4_911@hotmail.com遙唐 欣淵1975-冤,男,湖南邵東人,副教授,博士,研究方向為電力 電 子 技 術 及 應 用 和 柔 性 交 流 輸 電 袁Email院tangx鄄in_csu@163.com遙隨著電網建設的發(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電能的質量袁被越來越多的使用在并網發(fā)電系統(tǒng)中遙 為了達到精確控制袁需要建立合理堯精確的數學模型遙 現階段文獻中針對兩級式光伏并網系統(tǒng)所提出的設計方案

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 變換器輸出負載的設計思路遙 由于 PWM 逆變器的輸入阻抗具有強非線性堯時變等特征袁當它作為 DC/DC 的負載袁其直流側靜堯動態(tài)行為對前端系統(tǒng)的建模堯仿真控制以及動靜態(tài)性能都有重要的影響[1]袁用純電阻替代顯然欠妥當曰另外為實現光伏發(fā)電效率的最大化袁需要 DC/DC 變換器與后級逆變器兩部分共同完成袁從動態(tài)阻抗匹配的觀點[2]來說袁即需要兩級阻抗協(xié)

5、同匹配遙 當光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大的時候袁也就是前后級變換器達到了工作的協(xié)同點[3]袁而分開建模由于沒有考慮逆變器級對系統(tǒng)最大功率的影響袁僅僅通過控制DC/DC 級實現系統(tǒng) MPPT 控制袁得到的系統(tǒng)最大功率以及性能指標只是局部最優(yōu)而不是全局最優(yōu)遙 綜上所述袁建立光伏并網逆變器的整體模型對系統(tǒng)優(yōu)化設計袁以及研究協(xié)調控制算法具有重要的意義遙針對兩級式光伏并網系統(tǒng)的整體建模袁國內外文獻中近年來主要采用受控源模型法,文獻[4]將由光伏陣列袁

6、帶升壓變壓器的 DC/AC/DC 變流器堯濾波器堯DC/AC 逆變器組成的并網型光伏發(fā)電系統(tǒng)等效為 3 個子系統(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)方程進行組合曰文獻[5]針對兩級式光伏并網系統(tǒng)袁 采用開關函數法并結合 KCL 與KVL 定律袁通過狀態(tài)變量的微分方程袁推導出矩陣形式的低頻高頻數學模型遙 以上兩種建模方法思路清晰袁提供了進行數值計算仿真的有力模型袁但由于均

7、是一組非線性時變微分方程袁求解解析解難度高袁 不能直觀的反應系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時電路運行狀況袁對建立擾動小信號電路模型堯設計控制器以及仿真顯得不夠直觀堯實用遙本文結合以上文獻的優(yōu)點和不足袁通過分析將系統(tǒng)結構與電量用電路模型表示袁旨在構建能直觀的反應系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時的真實情況遙 首先理論分析與仿真研究揭示了 PWM 逆變器直流側輸入阻抗與逆變器交流側電路參數之間的定量關系袁并給出了計算公式袁 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 大信號模型與逆變器交流側并網模型組合成光伏并網逆變器穩(wěn)態(tài)運行時的整體電路模型遙 最電 源 學 報 電 源 學 報 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冤又因為Ts=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 電路的大信號模型如圖 6 所示遙圖 6 Boost 大信號模型1.2.1 逆變器交流側模型對一臺單相堯兩電平堯硬開關堯帶 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內阻堯濾波電感的等效串聯電阻堯開關死區(qū)效應等非理想因素遙圖 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 調制方式所形成的矩形脈沖序列袁 經過 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逆變器交流側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 根據調

11、制度的定義為院m=U01m/Udc袁(U01m為基波幅值袁Udc 為前級 Boost 變流器輸出電壓冤袁故經以上分析可得院Uab=mUdcsin棕t 淵7冤1.2.2 并網運行時負載模型為了便于研究系統(tǒng)功率與電路參數之間的定量關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 首先作如下假設規(guī)定院淵1冤 系統(tǒng)輸出電壓與電網同頻堯同相堯同幅遙淵2冤 規(guī)定 U 為電網電壓有效值袁I 為電網電流有效值袁P 為光伏并網逆變器饋送給

12、電網的有功功率, 電網頻率為 50 Hz遙淵3冤 忽略圖 7 中等效損耗電阻 R 的影響遙當系統(tǒng)在并網運行時袁 由于電網電壓成剛性袁根據上述規(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電網電壓與電流袁以便于動態(tài)的根據電網狀況調整逆變器輸出袁 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可以作為已知量遙 經以上分析袁可以將并網負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