光伏逆变器的并网控制仿真

北华大学 杨冀堃 张建民

在开发和深入建设智能电网的过程中，作为分布式发电类型之一的光伏发电的创造和应用受到了更多关注。如何有效地控制逆变器，以实现光伏并网的目标，即以相同的频率和步长生产交流电网。逆变器控制策略是光伏并网过程中不可或缺的一部分。光伏并网发电系统能够针对逆变器进行连接的过程中，会出现一系列高次谐波，以及无功功率进行消耗。因此，当有源逆变器功率连接到光伏网络时，电流和协调无功功率也需要有针对性的补偿。本文介绍了利用MATLAB实现可持续锁相环和SPWM控制模块的预期控制措施，自动生成技术接受系统中的程序代码，将MATLAB软件与DSP硬件芯片系统有机结合，实现并提高连接到光伏网络的运营商的开发效率和灵活性，结果具有一定的参考价值。

太阳能是清洁能源的一种，属于可再生能源领域，太阳能光伏并网发电技术，已逐步发展成为能够通过对太阳能的利用，进行发电的热点问题， 其中光伏发电是主要发电形式之一[1]。目前我们对大容量电源产生了越来越大的需求性，因此有必要扩大逆变器系统容量，并通过增加单个逆变器或多个同时逆变器的容量来扩大系统容量。按照上述两种方法，网络系统可以集中和分布。集中连接：连接的发电机设置在光伏通道上，接收整个变流器系统的输入、变流器网络上的连接输出和网络上的连接操作。对于共享通信，光伏板用作每个并网逆变器的输入。

并网逆变器是整个光伏发电系统中最重要的部件之一，其主要功能是将光伏发电产生的交流电能转换为直流电能。交流网络所采取的分布式光伏发电系统，通常安装于网络端，由于大量使用感应负载，导致网络端的电能质量下降。关键是检测无功功率和谐波电流，并指导负载配置网络电流。光伏发电系统必须在同一频率、同一幅度、同一频率、同一相位的输出电压和输出电流下运行，其输出也必须满足电网的电能质量要求。

光伏阵列的直流电通过逆变器从直流电转换为交流电，然后传输到电网[2]。逆变器光伏发电机组是以周期模型为核心，模型由共轭模型、控制模型等组成。良好的逆变器控制策略是阵列接入高质量、大功率光伏网络的保证。光伏电池的功能是将晶体板上的太阳光发射的光波能量转换为电能，电能可以通过直流负载或插入存储器（如有必要）短期存储，电池暂时处于完全关闭状态。特别值得注意的是系统的质量取决于光伏元件的质量，如果外部环境恶劣，对光伏元件的影响非常严重，将会干扰光伏元件的功率传输。尽可能地吸收或转换电池负载，并针对电池的实际充放电过程进行有效控制，可以保障光伏元件的正常工作。逆变器是将电力从直流变为交流，然后将交流变为电网负载。我国民用电压等级为220VAC，光伏电池一般为12DC或24DC。为了满足供电需求，逆变装置的工作过程通常分为两个阶段，第一阶段为直流/直流升压电路适当的电压水平；第二阶段则是在逆变器的直流/交流阶段之后，将直流转换成交流频率[3]。

根据控制有利并网的技术要求，除了构造嵌入式MATLAB DSP代码和分析系统外，还使用了设计应用程序[4]，使用Simulink软件模型MATLAB生成真实有效的DSP C代码。首先，在MATLAB开发环境中，连接到光伏网络的控制器出现并分析，然后DSP芯片运行的功能模块，从而将二者进行有机结合。

1 SPWM逆变控制技术

光伏照明模块是一种非线性直流电源。其P-V输出特性不是线性的，会因光强度、环境温度和不同的负载条件而变化。即使光的温度和密度相等，光伏元件的输出电压也不应自动保持相等。只有当输出电压达到一定值时，光伏元件才能达到与输出过程中的最大功率点对应的最大功率点，即最大功率点（MPP）。

连接到光伏网络的实际逆变器输出过程必须完全符合线性网络的频率和相应阶段的电网电压信号，正弦波脉宽调制的工作原理是将正弦波的N个半波均匀地分开，然后用等长矩形脉冲代替水平轴的正弦曲线所包围的区域。根据采样控制理论，当在实现惯性的部分出现了相同的脉冲情况，或者不同形状的窄型脉冲时，结果基本表现一致。利用傅里叶变换针对输出波形进行分析时，低频段的特性则也表现的十分一致，但高频带的特性存在差异。在这种方法中，n个等幅矩形脉冲，主要是通过一个等效于半正弦周期的波形所构成。

如图1所示，描述了SPWM产生的应用表，其中角度是一个对应的表，模型被添加到中断呼叫子系统。最后，利用MATLAB和Simulink之间的不成比例的连接，桌面上的应用程序表可以直接从Simulink调用。子系统可以获得正弦表中相应正弦值的循环应用，并将其输出到PWM比较程序。

图1 SPWM应用表Fig.1 SPWM application table

2 逆变并网锁相环设计

在连接到电网的n操作期间，DSP生成SPWM以生成主功率曲线。同步电网功率信号将从有条件的信号转换为与DSP油进口百分比周期相同相位的峰值捕获曲线，在捕获中断中获得网格的循环信号。传输时检索当前AC信息，转换AC样本，并计算当前备份的有效值。与当前系统相比，PI算法被调整为在闭环中运行系统（如图2所示）。

图2 软件锁相环原理图Fig.2 Schematic diagram of software phase-locked loop

为了完成全电网中电压周期和相应相位的采样，本研究安装了滞后参考装置，将模拟信号转换为矩形，然后通过配置的功能获得相关频率，和电压阶跃信息。最重要的是，用于获取相应时期和阶段信息的软件符合网络的实际增长边缘。因此，在规划原材料组件的安装时，必须充分评估零电源电压和吨位显著变化产生的干旱油上升幅度。

3 反孤岛效应控制

光伏阵列的直流电流通过逆变器实现从直流到交流的转换，然后将电能传输到电网。

结论：首先，根据有功功率、无功功率、电压矢量和输出电流矢量计算输出电流矢量I*，然后计算输出电流矢量I*输出电流矢量u=mine+e，计算连接到电源ω（UI*）的逆变器交流侧的电压指令矢量。最后，采用SPWM或SV PWM控制将逆变器连接到交流电网，并根据指令输出所需的电压矢量。

一般的网络控制策略包括基于电压定向的虚拟潮流控制策略。

孤岛效应是一种电气现象，根据这种现象，连接到光伏网络的逆变器与主电网分离，连接到光伏网络的逆变器提供持续的能量。光伏系统通过传输连接到当地电网，而负载通过传输连接到配电网（拓扑结构如图3所示）。当电网关闭时，应形成一个孤岛。

图3 光伏并网系统拓扑结构Fig.3 Topological structure of photovoltaic grid-connected system

回流的影响会导致严重的后果：（1）回流中的电压和频率无法控制，可能导致电气设备的损坏对维修人员构成危险；（2）当电网正常化时，可能会导致缺相、线路启动、逆变器并网等电气设备；（3）如果出现架构效应，如果负载与光网络的功率不一致，则逆变器损坏。因此，必须能够检测到网络系统中的孤岛效应。

孤岛效应的检测技术可分为正检测和负检测两种。在实际系统中，负载通常相当于RL系列的负载。岛屿影响研究的主要目标是获得一种快速、准确的方法来检测任何负载下的岛屿影响。因此，在研究回流检测技术时，通常假设负载为平行RLC结构[5]。显然，如果等效载荷的L和C值相关，则在群岛系统中很难识别整体被动探测方法。

4 仿真建模与结果分析

4.1 SPWM波形发生设计

如第二节所述，本文采用查表方式生成SPWM波形（如图4所示）。

图4 SPWM波形图Fig.4 SPWM waveform diagram

仿真结果表明，输出波形具有一定的谐波，仍需滤波。在完成上述模型的特定生成工作后接收到的SWPM信号的主要部分可以分离和封装，作为独立接收的SWPM信号源进行进一步工作。

4.2 同步锁相环设计

通过n MPPT算法获得的功率信号可以与从电网收集的RMS电压信号共享，以获得当前备用网络RMS；乘以电压网格的相应度符号，即可得到当前PLL参考功率信号；然后，与实际备用网络的电流信号（输入到PID控制器的错误信号为备用）相比，可以看到并网期间的电流电压和环路锁定步骤[6]。

使用Simulink RTW工具箱，我们可以在锁定频率的同一阶段使用相同的明确定义的框架，使用设计用于生成相应处理器的相应实时嵌入式C代码的Simulink模型，然后下载到原型进行半物理外观和算法验证。如图5所示，下面的符号显示了SPWM信号生成的特征音，SPWM信号由连接到DSP模拟光伏查看器网络的设备在低滤波后生成[7]。

从图5可以看出，DSP看起来像是一个连接到非包容性光伏网络的设备产生的残留物，它还可以满足输入网络电压信号的可追踪效果，因此它达到了锁定频率的水平。

图5 SPWM和软件锁相实验结果Fig.5 SPWM and software phase-locked experimental results

5 结语

根据上述理论分析和类似结果，可以得出以下结论：

本文采用表格搜索法生成正弦期望格式，采用床身设计，并使用MATLAB DSP代码生成和分析系统。生成上述模型后，将SWPM子模块分配并封装为信号源。

该方法基于MATLAB和DSP（基于实例的直接代码生成方法）的结合，缩短了系统的开发时间，保证了系统的可靠性和效率。