基于PSpice ABM的光伏并网系统仿真研究

方波，白政民，康龙云

（1.许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；3.广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 510640）

基于PSpice ABM的光伏并网系统仿真研究

方波1,2，白政民1，康龙云2,3

（1.许昌学院电气信息工程学院，河南 许昌 461000；2.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；3.广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 510640）

为探索光伏并网系统的PSpice仿真方法，以实际课题中两级式光伏并网逆变系统为背景，根据光伏电池的物理数学模型，采用orCAD/PSpice10.5模拟行为模型(ABM)方法建立了光伏阵列仿真模型和光伏并网发电控制器模型，实现了两级式光伏并网逆变系统级仿真，并对光伏并网发电系统受温度、光照影响进行了仿真分析。仿真结果表明，采用PSpice可对大型光伏阵列并网发电系统进行较高精度的模拟仿真，基于PSpice ABM建模的光伏并网系统仿真具有实际工程意义，为光伏系统级仿真提供了一种方便有效的仿真方法和手段。

PSpice仿真；模拟行为模型；两级式光伏并网系统；锁相环

计算机仿真是电子光伏发电系统辅助设计和分析必不可少的重要方法和手段，Matlab和PSIM是光伏发电领域较常用的软件仿真平台[1-3]，都可用于光伏系统级仿真，但是其元件库中元器件种类有限，元器件大多是理想模型，仿真结果过于理想化，忽略了实际系统的许多细节问题，对于系统设计仅具有原理性和逻辑性的参考意义。orCAD/PSpice是一款元件库丰富、功能强大、应用广泛的电路仿真软件，该软件用于电力电子仿真有其独特的优势，但是由于光伏电池的非线性性质和输出特性受光照、温度等多种因素的影响，以及光伏控制系统中的特殊运算，目前采用PSpice用于光伏系统的仿真尚不多见。文献[4]采用PSpice常规建模方法建立了光伏并网系统的仿真模型，只能对小功率的光伏系统进行原理性的仿真，不具有实际工程价值。文献[5]采用模拟行为模型(ABM)建模方法建立了光伏阵列PSpice模型，但没有进行光伏并网逆变系统级仿真。文献[6]进行了光伏电池和阵列的PSpice ABM建模及光伏到DC/DC变换器的仿真，但亦未进行并网逆变的系统级仿真。本文将PSpice ABM建模方法引入到实际光伏并网发电系统中，在上述研究的基础上，采用ABM建模方法建立了光伏并网逆变控制器，从而实现了光伏并网系统级的仿真，仿真结果表明基于PSpice ABM建模的光伏并网系统仿真具有实际工程意义。

1 两级式光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统采用两级式拓扑结构，光伏阵列由KC50T型光伏组件16串4并构成，标准条件下额定电压为276 V，额定电流为12.44 A，最大功率为3 400W。系统组成如图1所示。

图1 光伏并网发电系统原理组成

2 两级式光伏并网发电系统控制方式

本文中光伏并网系统由DC/DC变换器和H桥逆变器两级电路串接而成，两级之间彼此独立控制，可使控制变量前后解耦、控制目的易于实现、控制性能得到保证。

2.1 DC/DC变换级控制方式

图1中DC/DC变换级采用Boost升压电路，在升压的同时实现最大功率点跟踪。由于光伏电池的最大功率点受温度影响严重，采用传统的CVT法将使系统功率损失大、效果不理想。本文根据光伏电池m-、m-C近似线性关系，采用一种改进的CVT控制策略，通过检测光伏电池温度并实时对常规CVT的最大功率点电压给定值进行线性修正。改进型CVT控制策略框图如图2所示。采用这种改进的CVT控制方式，既保留了CVT方法实现方式简单、稳定可靠等优点，又使得控制效果大大提高，具有很强的实用性。

图2 改进型CVT控制策略框图

2.2 DC/AC逆变级控制策略[7]

光伏并网逆变器的控制策略是整个光伏并网逆变系统的关键，图1中DC/AC逆变级采用电压外环、电流内环控制方式，电流内环用于逆变器输出电流跟踪电网电压相位，使光伏并网系统的功率因数接近1，电压外环用于保持直流母线电压稳定。并网逆变器的直流母线侧即Boost变换器输出电压外环采用PI调节器，使得光伏逆变器输入电压保持稳定；电流内环电流幅值参考值*由直流电压外环PI调节器的输出给定，通过锁相环获得电网电压相位角θ，并由sinθ、*的乘积获取瞬时输出电流参考值*，电流内环经PI调节器后，由三角波比较电路生成双极性SPWM波。

3 基于orCAD/PSpice ABM的光伏系统的建模与仿真

在将orCAD/PSpice用于光伏系统仿真时主要有两个关键问题，一个是受光照和温度影响的非线性的光伏电池与光伏阵列的建模，一个是并网逆变控制器中锁相环的PSpice实现。

3.1 基于PSpice ABM的光伏阵列建模[5-7]

图3 光伏电池的等效电路

根据光伏电池单元的物理机制和数学模型，采用模拟行为模型建模方法建立光伏阵列的PSpice仿真模型，如图4所示。图中，U1为光伏电池单元的等效二极管的仿真模型，建立其Pspice模型库文件(.lib)如下：

将其保存于指定目录下，建立相应的元器件符号库文件并与内核库文件联接。

图4 光伏阵列仿真模型

3.2 并网逆变控制器锁相环的PSpice实现

3.2.1 锁相环[8]

锁相环原理框图如图5所示。

图5 锁相环原理框图

鉴相器一般由模拟乘法器构成，设外界输入信号和压控振荡器输出的信号分别为：式中：ω是压控振荡器的固有振荡角频率；ω是输入信号的瞬时振荡角频率；θi(t)和θo(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时相位。模拟乘法器的输出电压D经低通滤波器LF滤除和频分量后，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压()，()为：

3.2.2 光伏并网锁相环的PSpice实现

光伏并网时一般要求并网电流与电网电压的相位保持一致，从而使得并网功率因数到达或接近1，但是上述锁相环只能够保证对频率的跟踪，当跟踪达到稳定时，ω=ω，但瞬时相位差θ为一个不确定的常数，因此传统锁相环并不能完全满足光伏并网控制的需要。

本文以传统锁相环的模拟乘法器和低通滤波器为基础，对其进行改进，改进电路如图6所示。图中，将电网电压信号Vsin_in与锁相环的输出Vcos_out送给乘法器，然后经低通滤波器滤除高频信号，得到相位差Δθ，经PI调节后使得相位差逐渐逼近于0。

图6 锁相环(PLL)PSpice仿真电路图

为了实现sin和cos函数运算，图中运算单元U1采用模拟行为模型建模方法建立其Pspice模型库文件(.lib)如下：

3.3 基于orCAD/PSpice ABM建模的光伏并网系统仿真

将上述光伏阵列和锁相环的ABM模型应用于orCAD/ PSpice的光伏并网仿真系统，即可实现光伏并网系统级仿真，仿真结果如图7、图8所示。

图7 系统启动到稳定运行过程仿真波形

图8 当和分别变化时的仿真波形

4 结束语

本文采用orCAD/PSpice模拟行为模型建模方法建立了光伏阵列仿真模型和并网逆变控制系统锁相环模型，并将其应用于4 kW两级式光伏逆变并网仿真系统中，实现了光伏并网系统级仿真。通过仿真建模、运行和仿真波形分析，得出了如下结论：

（1）采用orCAD/PSpice模拟行为模型建模方法可对大型光伏并网系统进行较高精度的系统级模拟仿真，仿真结果接近工程实际，具有较高的工程实用价值，为光伏发电系统级仿真提供了一种方便有效的仿真工具和手段；

（2）采用orCAD/PSpice模拟行为模型建模方法可方便地实现光照和温度对光伏系统运行影响的模拟仿真。

[1]刘胜荣，杨苹，肖莹，等.两级式光伏并网逆变器的无差拍控制算法研究[J].电力系统保护与控制，2010，38(8)：26-29.

[2]黄成玉，张全柱，邓永红，等.单相光伏两级并网系统的MATLAB仿真研究[J].电源技术，2011，35(5)：553-555.

[3]何人望，吴迅，齐艳，等.基于PSIM的光伏并网系统的仿真研究[J].电源技术，2012，36(6)：826-827.

[4]方波，王晔.基于PSpice的光伏并网系统仿真研究[J].现代电子技术，2010，33(4)：185-187.

[5]王章权，张超，何湘宁.基于PSpice模拟行为模型的光伏阵列建模[J].计算机仿真，2007，24(8)：225-228.

[6]白政民，方波，张元敏.基于orCAD/PSpice ABM仿真的光伏新型改进CVT控制研究[J].电力系统保护与控制，2011，39：126-131.

[7]赵争鸣，刘建政.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

[8]聂洪涛.4 kW屋顶光伏逆变并网系统的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2012.

Simulation research of grid-connected photovoltaic system based on PSpiceanalogy behavioralmodel

FANG Bo1,2,BAIZheng-min1,KANG Long-yun2,3

In order to exp lore the PSpice simulationmethod of grid-connected photovoltaic system,on the background of double-stage grid-connected PV inverter system of the actualproject,according tomathematicalphysicsmodelof grid-connected PV Cell,the simulation modelof PV array as wellas power controllermodelof grid-connected PV system was constructed w ith adoption of orCAD/PSpice10.5 analogy behavioral model(ABM)realizing the double-stage grid-connected photovoltaic system simulate.Grid-connected PV system influenced by intensity of illum ination and tem perature was simulated.The simulation results show that large PV array grid-connected power system could be simulated to a high approximation degree w ith PSpice ABM,and simulation of grid-connected PV power system based on PSpice ABM has practicalengineering significance,providing an effective and convenient simulationmethod for PV system simulation.

PSpice simulation;analogy behavioralmodel(ABM);double-stage grid-connected photovoltaic system; phase-locked loop(PLL)

TM 615

A

1002-087 X(2014)05-0861-03

2013-10-18

河南省科技攻关项目(112102310536)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A470007)

方波(1973—)，男，河南省人，硕士，副教授，主要研究方向为电力电子与新能源发电技术。