基于QuaRC的光伏并网逆变仿真系统设计

孙昌权　季希宁

摘 要：并網逆变器是光伏新能源的核心部件，直接影响电能质量、发电效率和使用寿命等，因此构建了一套基于QuaRC软件的半实物光伏并网逆变器仿真试验系统。设计基于光伏组件供电的升压模块、逆变模块和并网控制模块，可实现最大功率点跟踪、Boost升压、DC-AC逆变、电网电压频相锁定及孤岛效应检测等控制算法。通过搭建实际平台和试验验证，证明光伏并网半实物逆变器仿真试验系统能快速构建并网逆变器原型系统，且缩短了核心设备的开发周期，具有重要的研究价值和工程意义。

关键词：逆变器;并网;半实物仿真;最大功率点跟踪

中图分类号：TM615;TM464 文献标识码：A 文章编号：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

作为新型能源，光伏发电已经成为代替传统煤炭化石能源的主力供电形式，并在国民生产中发挥了巨大作用[1]。光伏供电系统中，并网逆变器作为光伏新能源的核心部件，是承接光伏组件与电网之间的枢纽，直接影响电能质量、发电效率、使用寿命与维护成本。然而，基于数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）的传统并网逆变器开发平台存在开发环境复杂、试验数据获取不便、调试效率低及成本高等不足之处。因此，如何设计实物或半实物的快速原型实时系统成为重要的研究内容。由此，笔者提出构建基于QuaRC软件的光伏并网逆变器半实物仿真实时控制系统，使控制算法研究、模型搭建及试验验证等全过程开发环节能够高效衔接，缩短并网逆变器的研发周期。

1 光伏并网逆变器的基本原理

光伏并网分为隔离型和非隔离型。其中，隔离型是在光伏组件与电网之间加入隔离变压器，抗干扰能力强;非隔离型逆变器能有效提高逆变器转换效率，结构简单，制作成本低廉。

光伏并网逆变系统的关键技术包括4个方面。

①光伏组件功率跟踪控制（Max Power Point Tracking，MPPT）。光伏电池组件受日照、温度及雾霾等环境因素的影响，输出特性为非线性。为使光伏组件工作在最大输出功率下，一般需要在光伏电池与外部负载之间加入一级最大功率跟踪电路。最大功率点跟踪常用的控制算法包括固定电压法、扰动观察法及电导增量法等。近年来，一些基于神经网络、模糊控制等的智能方法也引入跟踪控制中。如何方便、快捷和稳定地控制光伏电池的输出工作功率，是影响光伏组件供电性能的重要因素。

②光伏并网逆变器结构拓扑。并网逆变器需要根据功率等级合理选择整体或分级设计功率跟踪和直-交流逆变环节。整体结构设计相对简单，但单体结构复杂，设计难度大;分级结构效率相对低，但抗干扰性能较强。

③并网锁频锁相。局部电力输出系统并入电网的前提是逆变输出必须与电网电压保持频率、相位同步，输出电流对电网电压、相位跟踪锁定。因此，需要逆变并网环节实时捕捉电网电压的频率和相位，并对逆变正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波进行调制。

④孤岛效应检测。光伏电池在电网发生故障时需要避免单独向负载供电，因此需要主动或被动检测光伏逆变输出功率与局部负载之间的平衡关系。当检测到局部供电情况时，应及时切断光伏并网逆变器[2]。

2 基于QuaRC软件的光伏并网仿真试验系统设计

2.1 试验仿真系统设计

设计一套基于QuaRC软件的光伏并网逆变半实物实时仿真系统，实现对功率跟踪、升压、逆变、滤波及并网等各个控制环节的仿真试验。半实物仿真系统又被称为硬件在环控制系统，可将控制算法模型转换成控制程序，利用MATLAB/Simulink模型环境实现被控过程中算法模型的动态控制。通过QuaRC软件实现对仿真算法控制模型设计，再通过QPID和QPIDe数据采集和运动控制卡，实现仿真模型与试验测控系统之间数据的实时交换。

QuaRC是与MATLAB/Simulink兼容的实时控制和快速原型设计软件，能利用Simulink模型配置环境，简化复杂控制系统的控制流程，实现机电一体化和控制应用程序的实时开发和部署。QuaRC还配置了基于PCI总线的QPID和PCIE总线的QPIDe多功能数据采集卡，能实现高速、高精准及多通道的数据转换采样。

光伏并网逆变仿真系统由升压模块、逆变模块和并网模块组成。其中，升压模块包含光伏组件、Boost升压及最大功率点跟踪控制电路，通过占空比控制程序，使光伏组件输出最大工作功率，并提升直流电压达到并网幅值要求;逆变模块包含全桥驱动逆变电路和滤波电路，输出符合并网要求的交流电;并网控制模块包含输出电压检测、电流频率检测和电压频率相位检测电路，通过电压外环、电流内环控制程序调整SPWM波形，调制逆变器与电网之间的频、相输出条件[3-5]。单相光伏并网系统总体结构设计如图1所示。

2.2 试验系统控制算法设计

光伏并网逆变仿真试验系统控制程序主要包含DC-DC的Boost升压驱动控制程序模块和DC-AC的全桥逆变驱动控制程序模块。

Boost升压驱动程序模块包含光伏输入电压电流检测、最大功率点跟踪控制、母线电压检测及保护和基于PWM的波形调制驱动程序，针对光伏组件受环境因素影响的问题，利用MPPT控制使得光伏组件输出功率最大化，同时通过Boost升压电路使得低电压的直流电变成符合并网幅值的直流母线高电压。具体实现的Simulink控制程序参见图2。

DC-AC的全桥逆变驱动程序模块包含基于SPWM调制的逆变控制程序和并网控制程序，通过控制逆变桥功率开关管的通断使得母線直流电压变成交流电，同时通过检测逆变输出及并入电网的电压电流的频率和相位，实现逆变器输出的交流电与电网电压同频同相。具体实现的Simulink控制程序见图3。

3 仿真系统试验验证

试验系统硬件由光伏板、功率板、信号转接口板、供电直流电源、变压器及QUARC运动控制卡等构成，能满足半实物并网逆变器系统的功能要求。QuaRC是兼容MATLAB/Simulink的实时控制和快速原型设计软件，能很好地嵌入MATLAB/Simulink模型配置环境，具有强大的工具模块和功能模块，能够简化复杂控制系统的控制流程，实现实时机电一体化和控制应用程序的开发和部署。QuaRC配套的基于PCI总线的QPID和基于PCIE总线的QPIDe多功能数据采集卡，具有实时采样和高精度转换等功能。I/O转换时间短，能对多种I/O类型同步采样。光伏组件是硬件电路的输入，线性直流电源是电源电路的输入。通过半实物实时算法控制器实现最大功率点跟踪控制、Boost升压、全桥逆变及并网锁频锁相等控制后并入电网发电。

3.1 基于MMPT控制的Boost升压试验

模型主体结构包括光伏电池模块、MPPT算法控制模块、Boost升压电路模块及PWM调制模块等。输入电压设置为直流24 V，输出电压设置为直流230 V，电压占空比范围为85%～90%。QPIDe数据采集卡的采样频率为10 kHz，根据实际情况进行具体设置。

图4为示波器实测Boost升压电路功率MOS管控制输出的电压实际波形图。系统占空比调节范围确定为80%～90%，通过升压实际输出与参考直流电压230 V的电压差值进一步优化占空比调节。

3.2 基于SPWM调制的逆变并网试验

逆变器输出采用电压外环控制，设定一个参考电压值。当输出电压高于参考电压时，增大输出电流，反之则减小输出电流，从而达到输入输出功率平衡。实质上，对SPWM的调制是对预设正弦表参数的设置，可避免采样电流与内部计数器比较产生占空比的过程。以10 kHz采样频率为例，调制与电网同频的50 Hz的SPWM波，设置半波的正弦表参数为100个，通过占空比-时间转换程序，即可使QPIDe PWM模块输出预期调制的SPWM信号。

仿真试验系统采用小功率设计，可将稳定的电网状态看成一个大型的抗干扰滤波器，将外部输入的幅值和相位进行钳位，将逆变输出的方波视为小的波动。因此，逆变输出交流方波与电网电压同频同相，符合并网要求，可将逆变器输出并入电网。并网逆变器仿真系统的逆变并网输出的电压波形和电流波形，分别如图5和图6所示。

图5中，通道1代表逆变器并入电网的电压波形，通道4代表电网的波形。由图5可以看出，并入电网后的波形与电网波形基本同步，频率存在偏差，但误差在允许范围内。通过电流传感器检验逆变并网输出电流波形，图6中通道1代表逆变器并网后的输出电流波形，通道4代表降压后的电网波形。由图6可以看出，电流波形与电网电压基本同步，因平台参数未做最优调节，电流波形有抖动，并网谐波处理较差，后期需进一步研究改善。

4 结语

所设计的一套基于QuaRC软件的光伏并网逆变仿真系统，利用MATLAB/Simulink强大的控制系统模型化设计功能，通过QPIDe数据采集卡，实现光伏并网逆变器半实物试验仿真系统，拓展了逆变器研究形式。通过详细研究升压、逆变和并网各个软硬件控制模块，实现了光伏并网逆变器各项功能，整个课题对研究光伏并网逆变系统的开发利用有一定的支撑作用和参考意义。后续将进一步展开基于光伏并网逆变器半实物仿真系统的参数最优调节、电能质量及智能控制算法等方面研究，优化光伏并网逆变技术的研究利用。

参考文献：

[1]中国报告大厅.2020—2025年中国分布式太阳能光伏发电行业市场深度研究及发展前景投资可行性分析报告[EB/OL].（2020-05-30）[2021-08-25].http：//www.chinabgao.com/report/6772355.html.

[2]张凌.单相光伏并网逆变器的研制[D].北京：北京交通大学，2007：5.

[3]曹太强，许建平，祁强，等.单相光伏并网逆变器控制技术[J].电力自动化设备，2012（5）：133-136.

[4]杨晓光，姜龙斌，冯俊博，等.一种新型高效无变压器型单相光伏逆变器[J].电工技术学报，2015（8）：97-103.

[5]葛鹏江，李怡，郭文科.无变压器型单相光伏并网逆变器的设计[J].中国电力，2016（1）：144-147.