基于PSpice的光伏并網系統仿真研究

摘 要:采用DC/DC和DC/AC兩級拓撲結構對光伏并網系統進行了研究和設計，采用改進的定電壓跟蹤法(CVT)實現最大功率點閉環跟蹤，并將PWM控制器引入并網逆變中，采用三角波比較方式實現SPWM電壓逆變和輸出電流的波形跟蹤與控制，在電壓、電流內環的基礎上引入功率外環以實現系統前后級功率平衡和能量管理，采用基于PSpice的光伏電池仿真模型對所設計光伏并網系統進行了仿真。仿真結果表明，基于PSpice的光伏仿真模型能夠有效地模擬實際光伏并網系統的行為特征，將PSpice軟件用于光伏發電系統的仿真是可行的。

關鍵詞:光伏并網系統; 最大功率點跟蹤; 移相全橋軟開關; DC/AC逆變; PSpice仿真

中圖分類號:TM774 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)12-0185-03

Simulation Research on Photovoltaic Grid-connected System Based on PSpice

FANG Bo， WANG Ye

(School of Electrical and Information Engineering， Xuchang University， Xuchang 461000，China)

Abstract:DC/DC and DC/AC topological structures is adopted to study and design the PV grid-connected system. The closed-loop tracking for MPPT is realized with the improved constant voltage tracking method. The PWM controller is introduced into the grid-connected inverter. The SPWM voltage contravariance and waveform tracking control of the output current are implemented by triangle wave comparison method. Based on voltage and current inter loops， the power outer loop is set up for the power balance between the stages and energy management. The PV grid-connected system is simulated with PV cell array model based on PSpice. The simulation results show that the PV model based on PSpice can effectively simulate the behavior characteristics of the actual PV grid-connected system and PSpice software can be used for PV power system simulation.

Keywords: PV grid-connected system; MPPT; SP-FB-ZVS; DC/AC invert; PSpice simulation

0 引 言

由于光伏電池的特殊性質，在光伏發電系統的研究開發過程中，整個系統的優化設計十分重要，利用計算機對系統進行仿真和輔助設計對于在技術上確定和改善系統的性能、整定元器件參數、分析啟動和失效等極端情況、優化控制策略，以及在經濟上縮短研發周期、降低開發成本等方面都有著重要的意義。可用于光伏系統的仿真平臺軟件有Matlab，SIMPLORER，PSIM等，這些仿真軟件各有各的特點和適用范圍。

PSpice是一款功能強大、應用廣泛的電子電路仿真軟件，具有元器件豐富、支持數/模混合仿真、使用方便等優點[1-2]。本文將PSpice仿真軟件引入到光伏發電系統，將PSpice仿真模型用于光伏并網發電系統的模擬。

1 光伏并網發電系統的拓撲結構 [1，3-4]

光伏并網系統的拓撲結構有單級式并網、兩級式并網和多級式并網等，單級式并網拓撲在一個功率變換環節實現升壓、最大功率點跟蹤、DC/AC逆變以及光伏電池和電網之間的隔離，結構緊湊，但存在電池電壓紋波較大或沒有能量解耦環節、效率低等缺點。多級式并網拓撲能同時實現逆變橋低開關頻率、DC/DC變換器正弦半波直流輸出、光伏電池與電網間能量解耦等多種功能，但存在結構復雜、成本增加等缺點。在此采用DC/DC和DC/AC兩級拓撲結構，其中DC/DC變換采用移相全橋軟開關(PS-FB-ZVS)工作方式，并通過控制電路實現光伏電池最大功率點跟蹤、光伏陣列與電網隔離、閉環恒壓、功率管軟開關等功能。DC/AC逆變采用電壓源型自換相逆變并網方式和雙極性SPWM逆變工作方式，通過控制電路實現正弦電流輸出和并網功率因數為1。兩級式光伏并網拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 兩級式光伏并網拓撲結構

2 兩級式光伏并網系統的控制策略  [1，4-5]

由于光伏電池的特殊特性和對并網電流的特定要求，以及實現最大功率點跟蹤的要求，光伏并網系統的控制策略和控制方式是實現整個系統優良性能的關鍵，本文兩級式光伏并網系統的控制策略如圖2所示。仿 真電路模型如圖3所示。

圖2 兩級式光伏并網系統的控制策略

圖3 PCpice仿真電路圖

圖2中全橋DC/DC變換電路實現光伏電池最大功率點跟蹤，最大功率點跟蹤方式有恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀測法、電導增量法、“上山”法等。這些方法各有特點，本文采用改進的定電壓跟蹤法(CVT)實現最大功率點閉環跟蹤。通過檢測光伏陣列輸出電壓與給定電壓的比較控制全橋DC/DC變換器的占空比來實現恒定電壓閉環控制。DC/AC逆變采用電壓源型逆變并網技術，將PWM控制器引入并網逆變中，采用三角波比較方式實現SPWM電壓逆變和輸出電流的波形跟蹤與控制。同時，為了實現逆變輸出電流對電網電壓的相位跟蹤，保證并網功率因數為1，需要對電網電壓相位進行檢測并實現逆變給定正弦電流對電網電壓相位的跟蹤。在DC/DC變換的電壓內環控制和DC/AC電流內環跟蹤控制的基礎上將光伏陣列最大實時輸出功率和并網逆變器輸出功率進行比較，讓逆變輸出功率去跟蹤太陽能光伏陣列的最大發電功率，實現系統前后級功率平衡和能量管理，確保系統工作的穩定性。通過在DC/DC變換后高壓直流母線上并聯一個電容C或蓄能電池，可以很好地實現前后級能量解耦，使前級DC/DC變換的恒壓閉環控制和后級DC/AC逆變的閉環電流跟蹤控制相對獨立，系統運行將更加穩定可靠。

3 基于PSpice的光伏并網系統仿真 [2，6]

基于上述兩級式光伏并網發電系統拓撲結構和控制策略，采用PSpice仿真平臺建立的光伏并網系統仿真電路模型如圖3(a)，(b)所示。仿真模型的技術參數如下:

輸入:光伏電池組件1組(標準條件下峰值工作電壓17.5 V，峰值工作電流350 mA，峰值功率6 W)。

DC/DC:17.5 V/80 V，開關頻率100 kHz。

輸出:AC 50 V，120 mA，50 Hz正弦波，圖3(a)中，光伏電池PV ARRAY的仿真模型根據硅型光伏電池的物理結構構建[3，6]，Q1，Q2，Q3，Q4構成H橋，L1，L2J，L3構成高頻隔離升壓變壓器，變比n1:n2=1∶6，高頻逆變后的PWM波經D166，D167，L5全波整流濾波后對蓄能電池組V1充電。U33等構成全橋移相控制電路[7]，U22及其外圍電路構成PI型閉環調節器，R4，R5分壓電路對光伏電池輸出電壓取樣后與給定電壓V12比較后由控制器給出H橋4只開關管的移相驅動信號對主電路進行移相控制，實現光伏電池恒定電壓跟蹤和功率開關管的軟開關，從而達到光伏系統高效率、低損耗的目的。圖3(b)中，Q5，Q6，Q7，Q8為逆變H橋，L30為濾波電感，V77為電網單相電源模型。設電網電壓為理想正弦波，則逆變控制器只需讓并網逆變器的輸出電流去跟蹤該電壓波形即可，即讓電網電壓取樣作為逆變電流的給定，而給定的幅度由并網發電功率決定。U137，U19A，U170A等構成三角波比較型SPWM逆變控制電路。其中，U19A及其外圍電路組成PID閉環調節器，通過調節C6，C217，R111，R770等參數可以改善逆變電流對輸出電壓的跟蹤性能，本文中取C6=30 nF，C217=9 nF，R111=30 Ω，R770=2 kΩ。

圖4為光伏電池CVT 控制的輸出電壓和輸出電流仿真波形。圖5為DC/DC變換器的隔離變壓器原邊電壓和電流仿真波形。圖6為DC/AC逆變器輸出電流跟蹤電網電壓相位的仿真波形。

圖4 光伏電池CVT 控制的輸出電壓和輸出電流仿真波形

圖5 DC/DC變換器的隔離變壓器原邊電壓和電流仿真波形

圖6 DC/AC逆變器輸出電流跟蹤電網電壓相位的仿真波形

4 結 語

本文采用PSpice仿真平臺構建了光伏并網系統模型并進行了仿真研究，仿真結果表明，本文光伏并網系統采用全橋DC/DC變換、全橋DC/AC逆變兩級式拓撲結構能夠較方便地實現光伏并網控制，通過兩級間引入蓄能電池(或電容)能夠較好地實現前后級之間的解耦控制，采用恒定電壓跟蹤在一定程度上實現了最大功率點跟蹤，并且實現方法簡單可靠。采用三角波比較閉環跟蹤PID控制能夠較好地實現雙極性SPWM逆變及并網電流對電網正弦電壓波形的跟蹤，在電網電壓波形較理想的情況下，可將電網電壓取樣波形作并網逆變電流的給定，從而大大簡化逆變輸出電壓、電流相位跟蹤的設計。在DC/DC電壓閉環和DC/AC電流閉環的基礎上通過對光伏電池輸出功率和逆變并網輸出功率的比較和跟隨，對DC/AC的輸出電流和功率進行調節，能夠使光伏并網系統運行穩定。

參考文獻

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