基于PLECS的三相并网光伏逆变器仿真研究

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

当下世界能源紧缺问题日益严重，石油、煤炭等传统能源已进入开采中末期，无法满足人类未来的长期生存与发展。因此，国内外均对太阳能、风能、潮汐能等可再生新能源进行了大量的投入，并建立分布式电网将新能源发电作为一定的电力供应，减轻对传统能源的依赖[1]。其中，由于太阳能的清洁性和稳定性使得光伏发电技术在新能源发电中占主要地位。

在光伏发电技术中，太阳能提供的热能与光能通过太阳能电池板转化为直流电能，再通过DC/AC逆变过程转化为交流电能输送到电网中供用户使用。因此，作为新能源与电能之间转化接口的逆变器扮演着尤为重要的角色。然而，分布式电网中大量并网型逆变器接入电网会为电网的稳定运行带来了一定的隐患，这逆变器的并网运行带来了新的要求和挑战[2]。

常见的并网光伏逆变器采用两级式控制结构，前级为太阳能最大功率点跟踪(MPPT)的Boost/Buck电路，后级为三相全桥逆变电路。前级的DC/DC环节主要用于实现对光伏电池组的稳压，将直流侧电压稳定在一定范围内，降低DC/AC环节的控制难度，保证逆变器输出的稳定性。为了降低仿真难度，本文在仿真中将前级DC/DC环节等效为一个理想电压源。本文将以电力电子仿真软件PLECS为仿真平台，对5 kVA的三相光伏并网逆变器进行建模与并网仿真实验以研究逆变器输出的稳定性。

2 主电路拓扑结构

本文将光伏逆变器模型的DC/DC环节等效为一个理想电压源，DC/AC环节采用基于PI补偿器的电流闭环控制以实现单位功率因数并网。该逆变器的DC/AC环节模型采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制，SVPWM是一种优化的PWM技术，能够明显减小逆变器输出电流的谐波成分，且电压利用率高，已成为DC/AC逆变环节的主要控制手段之一[3]。由于逆变环节产生的PWM电压含有一定的谐波，因此本模型将采用LCL型滤波器进行滤波，其较L型滤波器和LC型滤波器有着更好的高频谐波滤波效果。另外，要实现逆变器稳定的并网运行，需要加入锁相环(PLL)进行电网电压的实时相位测量以实现逆变器的同相并网[4]。

图1为所研究的三相光伏并网逆变器的原理图，图中的PV表示光伏电池阵列组，Udc为经DC/DC升压后的直流电压；L1、Cf、L2、Rd分别为LCL型滤波器的逆变器侧电感、滤波电容、电网侧电感和阻尼电阻；Hi(s)为PI电流环调节器；ipa、ipb、ipc为并网公共点(PCC)的逆变器输出电流；upa、upb、upc为并网公共点的逆变器输出电压。为了保证逆变器的并网质量，模型采用dq域电流控制。

图1 三相光伏并网逆变器原理图

3 逆变器并网仿真实验

3.1 搭建仿真模型

根据图1所示的拓扑结构，在电力电子仿真软件PLECS中建立对应的仿真模型[5]，如图2所示。仿真的并网系统将实时检测并网公共点的电压与电流，通过锁相环PLL实时检测电压相角，电流通过abc/dq变换得到dq坐标系下的电流分量，随后通过PI控制器得到的控制信号再由dq/αβ变换得到αβ坐标系下的控制分量，最后由SVPWM模块产生IGBT开关管的驱动信号控制逆变器.的输出电流，其中系统的参数如表1所示。

3.2 仿真结果及分析

在完成模型的搭建之后，随即对模型进行并网仿真。图3为并网逆变器A相逆变桥臂的输出电压ua波形图，从图中可看出SVPWM能够有效地实现对逆变器的控制，得到的相电压为6拍阶梯波。随后，并网逆变器的桥臂输出电压经过LCL型滤波器得到的PCC处三相电压和电流波形如图4所示，此时并网逆变器的输出电流幅值设定给为5 A。从图中可以看出，光伏并网逆变器的输出电流幅值稳定在5A附近，输出电压幅值约为310V，可见逆变器能够稳定地并网运行。根据国家公共电网并网标准文件，逆变器并网过程中电压的总谐波畸变(THD)不能超过5%。因此，对该光伏并网逆变器的输出电压进行离散傅里叶变换分析(DFT)，再进行THD值的计算可得电压的总谐波畸变仅为0.18%，符合标准的并网运行。

表1 仿真系统参数

图2 三相光伏并网逆变器PLECS模型

图3 逆变器A相桥臂输出电压波形图

图4 滤波后并网公共点输出电压和输出电流波形图

4 结语

仿真软件PLECS相比MATLAB拥有更低的系统资源占用率和更强大的编程模块，使得在模型搭建和仿真实验更加的简易，而且其求解器性能与精度不亚于MATLAB，既保证了模型的准确性也提高了仿真性能。本文以一个5 kVA的三相光伏并网逆变器为研究对象，在PLECS仿真平台上研究了其在单一电流闭环控制下的并网运行状态。仿真结果表明，该并网逆变器的输出电压和输出电流较为平滑，并且能够根据控制期望实现逆变器输出的控制，证明了该模型的正确性。