基于QuaRC的光伏并網逆變仿真系統設計

孫昌權　季希寧

摘 要：并網逆變器是光伏新能源的核心部件，直接影響電能質量、發電效率和使用壽命等，因此構建了一套基于QuaRC軟件的半實物光伏并網逆變器仿真試驗系統。設計基于光伏組件供電的升壓模塊、逆變模塊和并網控制模塊，可實現最大功率點跟蹤、Boost升壓、DC-AC逆變、電網電壓頻相鎖定及孤島效應檢測等控制算法。通過搭建實際平臺和試驗驗證，證明光伏并網半實物逆變器仿真試驗系統能快速構建并網逆變器原型系統，且縮短了核心設備的開發周期，具有重要的研究價值和工程意義。

關鍵詞：逆變器;并網;半實物仿真;最大功率點跟蹤

中圖分類號：TM615;TM464 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0032-04

Design of Photovoltaic Grid-Connected Inverter Simulation

System Based on QuaRC

SUN Changquan?JI Xining

（1.Jiangsu Agriculture and Forestry Vocational and Technical College，Jurong Jiangsu 212400;2.Institute of Nanjing Technology，Nanjing Jiangsu 211167）

Abstract： Grid connected inverter is the core component of photovoltaic new energy， which directly affected power quality， power generation efficiency and service life. A set of hardware in the loop photovoltaic grid connected inverter simulation experimental system based on QuaRC software was proposed， and the Boost， inverter and grid-connected control modules based on photovoltaic module power supply were designed， which can realize the control algorithms such as maximum power point tracking， Boost boosting， DC-AC inverter， grid voltage frequency phase locking， islanding effect detection and so on. Through the actual platform and experimental verification， it was proved that the photovoltaic grid connected semi-physical inverter simulation experimental system can quickly build the grid connected inverter prototype system and shorten the development cycle of core equipment， which has important research value and engineering significance.

Keywords： inverter;grid-connected;semi-physical simulation;maximum power point tracking

作為新型能源，光伏發電已經成為代替傳統煤炭化石能源的主力供電形式，并在國民生產中發揮了巨大作用[1]。光伏供電系統中，并網逆變器作為光伏新能源的核心部件，是承接光伏組件與電網之間的樞紐，直接影響電能質量、發電效率、使用壽命與維護成本。然而，基于數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）的傳統并網逆變器開發平臺存在開發環境復雜、試驗數據獲取不便、調試效率低及成本高等不足之處。因此，如何設計實物或半實物的快速原型實時系統成為重要的研究內容。由此，筆者提出構建基于QuaRC軟件的光伏并網逆變器半實物仿真實時控制系統，使控制算法研究、模型搭建及試驗驗證等全過程開發環節能夠高效銜接，縮短并網逆變器的研發周期。

1 光伏并網逆變器的基本原理

光伏并網分為隔離型和非隔離型。其中，隔離型是在光伏組件與電網之間加入隔離變壓器，抗干擾能力強;非隔離型逆變器能有效提高逆變器轉換效率，結構簡單，制作成本低廉。

光伏并網逆變系統的關鍵技術包括4個方面。

①光伏組件功率跟蹤控制（Max Power Point Tracking，MPPT）。光伏電池組件受日照、溫度及霧霾等環境因素的影響，輸出特性為非線性。為使光伏組件工作在最大輸出功率下，一般需要在光伏電池與外部負載之間加入一級最大功率跟蹤電路。最大功率點跟蹤常用的控制算法包括固定電壓法、擾動觀察法及電導增量法等。近年來，一些基于神經網絡、模糊控制等的智能方法也引入跟蹤控制中。如何方便、快捷和穩定地控制光伏電池的輸出工作功率，是影響光伏組件供電性能的重要因素。

②光伏并網逆變器結構拓撲。并網逆變器需要根據功率等級合理選擇整體或分級設計功率跟蹤和直-交流逆變環節。整體結構設計相對簡單，但單體結構復雜，設計難度大;分級結構效率相對低，但抗干擾性能較強。

③并網鎖頻鎖相。局部電力輸出系統并入電網的前提是逆變輸出必須與電網電壓保持頻率、相位同步，輸出電流對電網電壓、相位跟蹤鎖定。因此，需要逆變并網環節實時捕捉電網電壓的頻率和相位，并對逆變正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波進行調制。

④孤島效應檢測。光伏電池在電網發生故障時需要避免單獨向負載供電，因此需要主動或被動檢測光伏逆變輸出功率與局部負載之間的平衡關系。當檢測到局部供電情況時，應及時切斷光伏并網逆變器[2]。

2 基于QuaRC軟件的光伏并網仿真試驗系統設計

2.1 試驗仿真系統設計

設計一套基于QuaRC軟件的光伏并網逆變半實物實時仿真系統，實現對功率跟蹤、升壓、逆變、濾波及并網等各個控制環節的仿真試驗。半實物仿真系統又被稱為硬件在環控制系統，可將控制算法模型轉換成控制程序，利用MATLAB/Simulink模型環境實現被控過程中算法模型的動態控制。通過QuaRC軟件實現對仿真算法控制模型設計，再通過QPID和QPIDe數據采集和運動控制卡，實現仿真模型與試驗測控系統之間數據的實時交換。

QuaRC是與MATLAB/Simulink兼容的實時控制和快速原型設計軟件，能利用Simulink模型配置環境，簡化復雜控制系統的控制流程，實現機電一體化和控制應用程序的實時開發和部署。QuaRC還配置了基于PCI總線的QPID和PCIE總線的QPIDe多功能數據采集卡，能實現高速、高精準及多通道的數據轉換采樣。

光伏并網逆變仿真系統由升壓模塊、逆變模塊和并網模塊組成。其中，升壓模塊包含光伏組件、Boost升壓及最大功率點跟蹤控制電路，通過占空比控制程序，使光伏組件輸出最大工作功率，并提升直流電壓達到并網幅值要求;逆變模塊包含全橋驅動逆變電路和濾波電路，輸出符合并網要求的交流電;并網控制模塊包含輸出電壓檢測、電流頻率檢測和電壓頻率相位檢測電路，通過電壓外環、電流內環控制程序調整SPWM波形，調制逆變器與電網之間的頻、相輸出條件[3-5]。單相光伏并網系統總體結構設計如圖1所示。

2.2 試驗系統控制算法設計

光伏并網逆變仿真試驗系統控制程序主要包含DC-DC的Boost升壓驅動控制程序模塊和DC-AC的全橋逆變驅動控制程序模塊。

Boost升壓驅動程序模塊包含光伏輸入電壓電流檢測、最大功率點跟蹤控制、母線電壓檢測及保護和基于PWM的波形調制驅動程序，針對光伏組件受環境因素影響的問題，利用MPPT控制使得光伏組件輸出功率最大化，同時通過Boost升壓電路使得低電壓的直流電變成符合并網幅值的直流母線高電壓。具體實現的Simulink控制程序參見圖2。

DC-AC的全橋逆變驅動程序模塊包含基于SPWM調制的逆變控制程序和并網控制程序，通過控制逆變橋功率開關管的通斷使得母線直流電壓變成交流電，同時通過檢測逆變輸出及并入電網的電壓電流的頻率和相位，實現逆變器輸出的交流電與電網電壓同頻同相。具體實現的Simulink控制程序見圖3。

3 仿真系統試驗驗證

試驗系統硬件由光伏板、功率板、信號轉接口板、供電直流電源、變壓器及QUARC運動控制卡等構成，能滿足半實物并網逆變器系統的功能要求。QuaRC是兼容MATLAB/Simulink的實時控制和快速原型設計軟件，能很好地嵌入MATLAB/Simulink模型配置環境，具有強大的工具模塊和功能模塊，能夠簡化復雜控制系統的控制流程，實現實時機電一體化和控制應用程序的開發和部署。QuaRC配套的基于PCI總線的QPID和基于PCIE總線的QPIDe多功能數據采集卡，具有實時采樣和高精度轉換等功能。I/O轉換時間短，能對多種I/O類型同步采樣。光伏組件是硬件電路的輸入，線性直流電源是電源電路的輸入。通過半實物實時算法控制器實現最大功率點跟蹤控制、Boost升壓、全橋逆變及并網鎖頻鎖相等控制后并入電網發電。

3.1 基于MMPT控制的Boost升壓試驗

模型主體結構包括光伏電池模塊、MPPT算法控制模塊、Boost升壓電路模塊及PWM調制模塊等。輸入電壓設置為直流24 V，輸出電壓設置為直流230 V，電壓占空比范圍為85%～90%。QPIDe數據采集卡的采樣頻率為10 kHz，根據實際情況進行具體設置。

圖4為示波器實測Boost升壓電路功率MOS管控制輸出的電壓實際波形圖。系統占空比調節范圍確定為80%～90%，通過升壓實際輸出與參考直流電壓230 V的電壓差值進一步優化占空比調節。

3.2 基于SPWM調制的逆變并網試驗

逆變器輸出采用電壓外環控制，設定一個參考電壓值。當輸出電壓高于參考電壓時，增大輸出電流，反之則減小輸出電流，從而達到輸入輸出功率平衡。實質上，對SPWM的調制是對預設正弦表參數的設置，可避免采樣電流與內部計數器比較產生占空比的過程。以10 kHz采樣頻率為例，調制與電網同頻的50 Hz的SPWM波，設置半波的正弦表參數為100個，通過占空比-時間轉換程序，即可使QPIDe PWM模塊輸出預期調制的SPWM信號。

仿真試驗系統采用小功率設計，可將穩定的電網狀態看成一個大型的抗干擾濾波器，將外部輸入的幅值和相位進行鉗位，將逆變輸出的方波視為小的波動。因此，逆變輸出交流方波與電網電壓同頻同相，符合并網要求，可將逆變器輸出并入電網。并網逆變器仿真系統的逆變并網輸出的電壓波形和電流波形，分別如圖5和圖6所示。

圖5中，通道1代表逆變器并入電網的電壓波形，通道4代表電網的波形。由圖5可以看出，并入電網后的波形與電網波形基本同步，頻率存在偏差，但誤差在允許范圍內。通過電流傳感器檢驗逆變并網輸出電流波形，圖6中通道1代表逆變器并網后的輸出電流波形，通道4代表降壓后的電網波形。由圖6可以看出，電流波形與電網電壓基本同步，因平臺參數未做最優調節，電流波形有抖動，并網諧波處理較差，后期需進一步研究改善。

4 結語

所設計的一套基于QuaRC軟件的光伏并網逆變仿真系統，利用MATLAB/Simulink強大的控制系統模型化設計功能，通過QPIDe數據采集卡，實現光伏并網逆變器半實物試驗仿真系統，拓展了逆變器研究形式。通過詳細研究升壓、逆變和并網各個軟硬件控制模塊，實現了光伏并網逆變器各項功能，整個課題對研究光伏并網逆變系統的開發利用有一定的支撐作用和參考意義。后續將進一步展開基于光伏并網逆變器半實物仿真系統的參數最優調節、電能質量及智能控制算法等方面研究，優化光伏并網逆變技術的研究利用。

參考文獻：

[1]中國報告大廳.2020—2025年中國分布式太陽能光伏發電行業市場深度研究及發展前景投資可行性分析報告[EB/OL].（2020-05-30）[2021-08-25].http：//www.chinabgao.com/report/6772355.html.

[2]張凌.單相光伏并網逆變器的研制[D].北京：北京交通大學，2007：5.

[3]曹太強，許建平，祁強，等.單相光伏并網逆變器控制技術[J].電力自動化設備，2012（5）：133-136.

[4]楊曉光，姜龍斌，馮俊博，等.一種新型高效無變壓器型單相光伏逆變器[J].電工技術學報，2015（8）：97-103.

[5]葛鵬江，李怡，郭文科.無變壓器型單相光伏并網逆變器的設計[J].中國電力，2016（1）：144-147.