光伏逆變器的并網控制仿真

北華大學 楊冀堃 張建民

在開發和深入建設智能電網的過程中，作為分布式發電類型之一的光伏發電的創造和應用受到了更多關注。如何有效地控制逆變器，以實現光伏并網的目標，即以相同的頻率和步長生產交流電網。逆變器控制策略是光伏并網過程中不可或缺的一部分。光伏并網發電系統能夠針對逆變器進行連接的過程中，會出現一系列高次諧波，以及無功功率進行消耗。因此，當有源逆變器功率連接到光伏網絡時，電流和協調無功功率也需要有針對性的補償。本文介紹了利用MATLAB實現可持續鎖相環和SPWM控制模塊的預期控制措施，自動生成技術接受系統中的程序代碼，將MATLAB軟件與DSP硬件芯片系統有機結合，實現并提高連接到光伏網絡的運營商的開發效率和靈活性，結果具有一定的參考價值。

太陽能是清潔能源的一種，屬于可再生能源領域，太陽能光伏并網發電技術，已逐步發展成為能夠通過對太陽能的利用，進行發電的熱點問題， 其中光伏發電是主要發電形式之一[1]。目前我們對大容量電源產生了越來越大的需求性，因此有必要擴大逆變器系統容量，并通過增加單個逆變器或多個同時逆變器的容量來擴大系統容量。按照上述兩種方法，網絡系統可以集中和分布。集中連接：連接的發電機設置在光伏通道上，接收整個變流器系統的輸入、變流器網絡上的連接輸出和網絡上的連接操作。對于共享通信，光伏板用作每個并網逆變器的輸入。

并網逆變器是整個光伏發電系統中最重要的部件之一，其主要功能是將光伏發電產生的交流電能轉換為直流電能。交流網絡所采取的分布式光伏發電系統，通常安裝于網絡端，由于大量使用感應負載，導致網絡端的電能質量下降。關鍵是檢測無功功率和諧波電流，并指導負載配置網絡電流。光伏發電系統必須在同一頻率、同一幅度、同一頻率、同一相位的輸出電壓和輸出電流下運行，其輸出也必須滿足電網的電能質量要求。

光伏陣列的直流電通過逆變器從直流電轉換為交流電，然后傳輸到電網[2]。逆變器光伏發電機組是以周期模型為核心，模型由共軛模型、控制模型等組成。良好的逆變器控制策略是陣列接入高質量、大功率光伏網絡的保證。光伏電池的功能是將晶體板上的太陽光發射的光波能量轉換為電能，電能可以通過直流負載或插入存儲器（如有必要）短期存儲，電池暫時處于完全關閉狀態。特別值得注意的是系統的質量取決于光伏元件的質量，如果外部環境惡劣，對光伏元件的影響非常嚴重，將會干擾光伏元件的功率傳輸。盡可能地吸收或轉換電池負載，并針對電池的實際充放電過程進行有效控制，可以保障光伏元件的正常工作。逆變器是將電力從直流變為交流，然后將交流變為電網負載。我國民用電壓等級為220VAC，光伏電池一般為12DC或24DC。為了滿足供電需求，逆變裝置的工作過程通常分為兩個階段，第一階段為直流/直流升壓電路適當的電壓水平；第二階段則是在逆變器的直流/交流階段之后，將直流轉換成交流頻率[3]。

根據控制有利并網的技術要求，除了構造嵌入式MATLAB DSP代碼和分析系統外，還使用了設計應用程序[4]，使用Simulink軟件模型MATLAB生成真實有效的DSP C代碼。首先，在MATLAB開發環境中，連接到光伏網絡的控制器出現并分析，然后DSP芯片運行的功能模塊，從而將二者進行有機結合。

1 SPWM逆變控制技術

光伏照明模塊是一種非線性直流電源。其P-V輸出特性不是線性的，會因光強度、環境溫度和不同的負載條件而變化。即使光的溫度和密度相等，光伏元件的輸出電壓也不應自動保持相等。只有當輸出電壓達到一定值時，光伏元件才能達到與輸出過程中的最大功率點對應的最大功率點，即最大功率點（MPP）。

連接到光伏網絡的實際逆變器輸出過程必須完全符合線性網絡的頻率和相應階段的電網電壓信號，正弦波脈寬調制的工作原理是將正弦波的N個半波均勻地分開，然后用等長矩形脈沖代替水平軸的正弦曲線所包圍的區域。根據采樣控制理論，當在實現慣性的部分出現了相同的脈沖情況，或者不同形狀的窄型脈沖時，結果基本表現一致。利用傅里葉變換針對輸出波形進行分析時，低頻段的特性則也表現的十分一致，但高頻帶的特性存在差異。在這種方法中，n個等幅矩形脈沖，主要是通過一個等效于半正弦周期的波形所構成。

如圖1所示，描述了SPWM產生的應用表，其中角度是一個對應的表，模型被添加到中斷呼叫子系統。最后，利用MATLAB和Simulink之間的不成比例的連接，桌面上的應用程序表可以直接從Simulink調用。子系統可以獲得正弦表中相應正弦值的循環應用，并將其輸出到PWM比較程序。

圖1 SPWM應用表Fig.1 SPWM application table

2 逆變并網鎖相環設計

在連接到電網的n操作期間，DSP生成SPWM以生成主功率曲線。同步電網功率信號將從有條件的信號轉換為與DSP油進口百分比周期相同相位的峰值捕獲曲線，在捕獲中斷中獲得網格的循環信號。傳輸時檢索當前AC信息，轉換AC樣本，并計算當前備份的有效值。與當前系統相比，PI算法被調整為在閉環中運行系統（如圖2所示）。

圖2 軟件鎖相環原理圖Fig.2 Schematic diagram of software phase-locked loop

為了完成全電網中電壓周期和相應相位的采樣，本研究安裝了滯后參考裝置，將模擬信號轉換為矩形，然后通過配置的功能獲得相關頻率，和電壓階躍信息。最重要的是，用于獲取相應時期和階段信息的軟件符合網絡的實際增長邊緣。因此，在規劃原材料組件的安裝時，必須充分評估零電源電壓和噸位顯著變化產生的干旱油上升幅度。

3 反孤島效應控制

光伏陣列的直流電流通過逆變器實現從直流到交流的轉換，然后將電能傳輸到電網。

結論：首先，根據有功功率、無功功率、電壓矢量和輸出電流矢量計算輸出電流矢量I*，然后計算輸出電流矢量I*輸出電流矢量u=mine+e，計算連接到電源ω（UI*）的逆變器交流側的電壓指令矢量。最后，采用SPWM或SV PWM控制將逆變器連接到交流電網，并根據指令輸出所需的電壓矢量。

一般的網絡控制策略包括基于電壓定向的虛擬潮流控制策略。

孤島效應是一種電氣現象，根據這種現象，連接到光伏網絡的逆變器與主電網分離，連接到光伏網絡的逆變器提供持續的能量。光伏系統通過傳輸連接到當地電網，而負載通過傳輸連接到配電網（拓撲結構如圖3所示）。當電網關閉時，應形成一個孤島。

圖3 光伏并網系統拓撲結構Fig.3 Topological structure of photovoltaic grid-connected system

回流的影響會導致嚴重的后果：（1）回流中的電壓和頻率無法控制，可能導致電氣設備的損壞對維修人員構成危險；（2）當電網正常化時，可能會導致缺相、線路啟動、逆變器并網等電氣設備；（3）如果出現架構效應，如果負載與光網絡的功率不一致，則逆變器損壞。因此，必須能夠檢測到網絡系統中的孤島效應。

孤島效應的檢測技術可分為正檢測和負檢測兩種。在實際系統中，負載通常相當于RL系列的負載。島嶼影響研究的主要目標是獲得一種快速、準確的方法來檢測任何負載下的島嶼影響。因此，在研究回流檢測技術時，通常假設負載為平行RLC結構[5]。顯然，如果等效載荷的L和C值相關，則在群島系統中很難識別整體被動探測方法。

4 仿真建模與結果分析

4.1 SPWM波形發生設計

如第二節所述，本文采用查表方式生成SPWM波形（如圖4所示）。

圖4 SPWM波形圖Fig.4 SPWM waveform diagram

仿真結果表明，輸出波形具有一定的諧波，仍需濾波。在完成上述模型的特定生成工作后接收到的SWPM信號的主要部分可以分離和封裝，作為獨立接收的SWPM信號源進行進一步工作。

4.2 同步鎖相環設計

通過n MPPT算法獲得的功率信號可以與從電網收集的RMS電壓信號共享，以獲得當前備用網絡RMS；乘以電壓網格的相應度符號，即可得到當前PLL參考功率信號；然后，與實際備用網絡的電流信號（輸入到PID控制器的錯誤信號為備用）相比，可以看到并網期間的電流電壓和環路鎖定步驟[6]。

使用Simulink RTW工具箱，我們可以在鎖定頻率的同一階段使用相同的明確定義的框架，使用設計用于生成相應處理器的相應實時嵌入式C代碼的Simulink模型，然后下載到原型進行半物理外觀和算法驗證。如圖5所示，下面的符號顯示了SPWM信號生成的特征音，SPWM信號由連接到DSP模擬光伏查看器網絡的設備在低濾波后生成[7]。

從圖5可以看出，DSP看起來像是一個連接到非包容性光伏網絡的設備產生的殘留物，它還可以滿足輸入網絡電壓信號的可追蹤效果，因此它達到了鎖定頻率的水平。

圖5 SPWM和軟件鎖相實驗結果Fig.5 SPWM and software phase-locked experimental results

5 結語

根據上述理論分析和類似結果，可以得出以下結論：

本文采用表格搜索法生成正弦期望格式，采用床身設計，并使用MATLAB DSP代碼生成和分析系統。生成上述模型后，將SWPM子模塊分配并封裝為信號源。

該方法基于MATLAB和DSP（基于實例的直接代碼生成方法）的結合，縮短了系統的開發時間，保證了系統的可靠性和效率。