多臺小功率逆變器光伏并網設計與仿真

耿愛玲，馬 亮，吳鵬程

（1.北京京儀綠能電力系統工程有限公司 北京 100009；2.北京市光伏核心裝備工程研究中心 北京 102100）

近年來，作為可再生能源的太陽能贏得了社會的關注。光伏組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中最重要的部分。以光伏并網系統為例，其最主要的部分是并網逆變器系統。此系統可分為兩部分：光伏陣列和并網逆變器組。

然而，隨著社會的發展，更大容量電源的需求變得越來越大。因此，對逆變器系統容量的擴大是勢在必行[1-4]，可使用增加單臺逆變器的容量或多臺逆變器并聯運行的方法來實現系統容量的擴大。根據以上兩種不同的方法，并網系統可分為兩類，分別為集中式和分布式。集中式連接：光伏陣列并聯作為逆變器系統的總輸入，并網逆變器輸出并聯掛網運行。分布式連接：光伏陣列獨立作為各并網逆變器輸入，各逆變器輸出并聯掛網運行。

對于集中式并網系統而言，擴大單臺逆變器的容量存在著制造和安裝等多方面的困難[5-8]。另一方面，對于分布式系統，擴大逆變器系統的容量是相對簡單且易于實現。本文就分布式并網系統進行研究，多臺逆變器并網運行，并提出了將鏈狀控制法作為多臺逆變器并聯運行的控制策略。仿真結果顯示多臺逆變器并網功率因數為1，且對不同情況下的輸出功率做了比較，驗證了此方法的有效性。

1 群控系統設計

并網逆變器系統不僅可以實現交、直流轉換，同時也可以實現光伏陣列的最大功率點跟蹤，增大系統的發電量。多逆變器群控系統增加了光伏電站的日發電量，提高了太陽能利用率。

1.1 系統拓撲結構

多逆變器并網系統的拓撲結構如圖1所示。兩組光伏陣列模塊分別獨立控制兩組逆變器模塊。其中Ipv，Vpv分別為每組光伏陣列模塊的采樣電流和采樣電壓，DC/AC為逆變器組，最終兩組逆變器并聯接入電網中。

1.2 系統控制策略

光伏并網群控系統的實現應包含兩方面：一方面是多臺逆變器成功并網，另一方面是群控系統優化控制以實現最大發電效率。基于圖1分析，兩組逆變器模塊獨立運行，且輸入電壓也相互獨立，因此以下就單組逆變器模塊進行分析。

圖2所示為多臺逆變器并聯在同一組光伏陣列模塊下的系統控制結構圖。多臺逆變器并聯運行情況下[7-10]，為了避免由于各模塊不完全相同而在系統中產生環流的問題，文中采用鏈狀控制法，此方法是利用電感電流互追的方式來控制逆變器組。

圖1 光伏群控系統控制框圖Fig.1 PV group control system control block diagram

本設計采用兩臺逆變器并網運行進行分析。圖3所示為兩臺逆變器并聯運行情況下的控制框圖。其中各臺逆變器的輸入電壓相同，輸出電壓端相互并聯接入電網，其中Ipv，Vpv分別作為逆變器輸入電流和輸入電壓，vdc為逆變器直流側電壓。MPPT為最大功率點跟蹤控制單元，確定光伏陣列最大功率點時的工作電壓vdc*。第一個PI為電壓調節器，調節輸出為并網電流的幅值給定IP*。第二個PI為電流調節器，其中vg/|vg|為與電網同步的正弦信號，Ig1，Ig2分別為逆變器1和逆變器2的電感電流，此環節完成并網交流電流的跟蹤控制，最終經過PWM控制方式控制逆變器開關器件的開通和關斷。兩臺逆變器實現成功并網。

由圖1和圖2可以看出，鏈狀控制法是在多逆變器并聯系統中，各逆變器內環電流模塊增加參考電流，此參考電流為另一逆變器的電感電流。例如：逆變器1的輸出電流Ig1作為逆變器2的參考電流Ig2，逆變器2的輸出電流Ig2作為逆變器3的參考電流。以此類推，在并網系統中構造成一個鏈，由此實現了各并聯逆變器電感電流互追，達到各逆變器輸出電流相等的效果。

圖2 多逆變器并聯系統結構圖Fig.2 Multi-inverter parallel system structure

圖3 多逆變器并聯控制框圖Fig.3 Multiple parallel control block diagram of the inverter

2 仿真模型與結果

2.1 PV仿真模型

光伏陣列的通用數學模型[11-12]如下：設在參考條件下的開路電壓為voc，短路電流為Isc，最大功率點電流和電壓分別為im，vm。考慮到太陽輻射Rref和Tref溫度的影響，其中光伏陣列電壓V和對應點電流I的關系特性如式（1）所示。

α：在參考日照下，電流變化溫度系數（Amps/C）；

β：在參考日照下，電壓變化溫度系數（V/°C）；

RS:光伏模塊的串聯電阻（Ohms）。

在此條件下，光伏電池的輸出功率P為P=VI：

基于以上數學模型，在Matlab環境下使用Simulink工具，并結合編寫S函數，建立了光伏陣列的通用仿真模型。其中，太陽能電池的參數設置如表1所示。最終得出光伏陣列的I-V特性曲線和P-V特性曲線。仿真結果如圖4和圖5所示。

表1 PV仿真模型參數Tab.1 PV simulation model parameters

2.2 多逆變器并聯仿真模型

根據上述研究，在Matlab環境下使用Simulink工具搭建多逆變器并聯仿真模型[13]。仿真模塊的直流輸入端為光伏陣列的輸出端，交流輸出端并入電網。本文所述仿真模型有兩臺逆變器并聯在同一太陽電池電路中。太陽電池開路電壓為42 V，交流側并網電壓U為220 V，頻率50 Hz。

2.3 仿真結果

光伏陣列的參數設置如表1所示，通過PV仿真模型分別得到光伏陣列的I-V和P-V特性曲線。曲線如圖4和圖5所示。圖6所示波形為并網后電壓和電流波形，兩個波形比較后可知，是與同頻同相的正弦波，系統的功率因數近似等于1。由此驗證了兩臺逆變器并網成功。

圖7所示為逆變器模塊直流側電壓為35 V時系統的輸出功率波形。此時逆變器模塊的直流側輸入功率為134.3 W，從仿真結果得知交流側輸出功率為132.7 W，計算得逆變器模塊的轉換效率為99%。圖8所示為逆變器模塊的直流側電壓為20 V時系統的輸出功率波形。此時直流側的輸入功率為89 W，從仿真結果得知逆變器模塊交流側的輸出功率為87.5 W，此時可計算得轉換效率為98.3%。

由以上分析得出光伏并網逆變器并網成功，同時也驗證了隨著光照強度的不同，逆變器模塊的轉換效率也不同。

圖4 光伏陣列的I-V特性曲線Fig.4 A characteristic curve of the photovoltaic array

圖5 光伏陣列的P-V特性曲線Fig.5 Characteristic curve of the P-V array

圖6 并網側電壓Fig.6 oltage of grid side

圖7 Udc=35 V，群控系統輸出功率曲線圖Fig.7 Udc=35 V，the output power graph group of control system

3 效率分析

在光伏并網系統的研究中，人們一直致力于最大限度的提高太陽能的利用率。例如，目前一些光伏逆變器的產品效率高達98%以上。文中對本公司5 kW逆變器，對其效率進行分析及研究?；谙到y控制策略中提出逆變器等功率運行方法，可以得出多臺逆變器并網運行的效率曲線同單臺逆變器獨立運行的效率曲線是相同的。效率曲線如圖9所示。

圖8 Udc=20 V，群控系統輸出功率曲線圖Fig.8 Udc=20 V，the output power graph of group control system

由圖可知，逆變器的轉換效率與逆變器輸出功率有關。逆變器的輸出功率比額定功率小很多時（例如小于10%），逆變器的發電效率開始出現大幅度下降，然而當輸出功率大于額定功率的80%時，發電效率也會下降，因此逆變器功率的最優工作范圍為輸出功率在額定功率的20%到80%之間，保證了逆變器的發電效率在98%以上。

圖9 群控系統效率曲線Fig.9 Efficiency curve of group control system

4 結 論

文中就分布式光伏并網系統進行研究，提出了多臺逆變器并網的方法及控制策略。使用電感電流互追的鏈狀控制法來控制逆變器組，多臺逆變器并聯運行情況下，避免了由于各逆變器模塊不完全相同而產生環流的情況。本文最后對光伏并網群控系統進行仿真實驗并且對其效率進行了分析，仿真實驗得出的結果顯示了多臺逆變器成功并網并且可以穩定運行，驗證了當光伏陣列的輸出功率不同時，逆變器模塊的發電效率也會不同。

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