【案例分享】光伏发电系统三相并网逆变器设计与仿真

随着可再生能源技术的发展和应用，基于太阳能发电的微电网系统成为目前研究的热点。PSIM软件提供了精确的太阳电池模型，结合三相逆变器和控制着模块，可以构建整个光伏发电并网系统的仿真电路，对微电网的运行进行分析。

三相电压型并网逆变器拓扑结构示意图如图一所示。Esa、Esb、Esc是三相电网相电压，Va 、Vb 、Vc是逆变器交流侧三相输出电压，它们均是以三相电网电压中性点为参考点。ia 、ib 、ic 是电网三相线电流。L 是网侧滤波电感，R 是等效串联电阻，Udc 是直流母线电压。

图1、并网逆变器拓扑结构图

并网逆变器在三相静止坐标系下的数学模型为：

并网逆变器在d-q 坐标系下的数学模型为：

上式中，Vd 、Vq 分别为并网逆变器交流输出电压的d 轴分量和q 轴分量。电压定向控制即在坐标变换过程中，将同步速旋转坐标系的d 轴定位于电网电压空间矢量Es的方向，即以网侧相电压Esa 峰值点作为旋转角度θ的零点，这样电网电压的d 、q 轴分量为：

式中Em 为电网相电压幅值。

所以在两相同步旋转坐标系下，网侧变换器相对于电网的有功功率和无功功率分别为：

式中，P 大于零，表示变换器工作于整流状态，变换器从电网吸收能量；P 小于零，表示变换器工作于逆变状态，变换器向电网回馈能量。Q大于零，表示变换器相对电网呈感性，吸收滞后无功功率；Q 小于零，表示变换器相对电网呈容性，吸收超前无功功率。其中id 、iq 分别对应电网侧电流中的有功和无功分量。

PQ控制结构图如所示。

图2、PQ控制结构图

图中将有功功率和无功功率解耦,对电流进行控制,采用PI控制器可使稳态误差为0。利用锁相环(PLL)技术,可使采用PQ控制的DG能够获得频率支撑。将电流环PI控制器的输出与电流状态反馈解耦以及电网电压前馈补偿两项合成得到逆变器的交流侧d、q轴输出电压参考值Udref和Uqref。

图3、光伏发电系统三相并网逆变器主功率电路

采用控制模型实现算法模块，如下图所示。

图4、三相电压、电流的dq转换

图5、功率解耦控制算法实现

图6、 dq坐标系下的功率计算

太阳电池模型设置如下图所示，具体应用参见《PSIM可再生能源模块应用——太阳电池模型》。

图7、太阳电池模型参数设置

注意：太阳电池的输出端并联了30nF的滤波电容，起到稳定直流电压的作用。

在PSIM中建立光伏发电并网系统仿真模型，如下图所示。

图8、光伏发电并网系统仿真模型

运行仿真分析，计算三相逆变器输出的有功功率和无功功率，并与参考值进行比较，输出波形如图9所示（图中红色曲线为功率参考值，蓝色曲线为实际输出功率）。

图9、有功功率与无功功率仿真结果

从仿真结果可以看出，有功功率在165ms时由5kW阶跃为10kW，无功功率在300ms时由0阶跃为5kW, 三相逆变器实际输出的有功功率和无功功率可以很好地跟随功率参考值，采用有功、无功解耦控制方式，可以实现光伏发电并网系统的精确控制。

三相逆变器输出电网侧电压、电流波形如图10所示。

图10、 三相逆变器输出电网侧电压、电流波形

下面以A相电压、电流为例，分析逆变器输出功率因数。为避免电流波形中高次谐波的影响，采用滤波后的电流波形Ia_fil进行分析。将功率分为0～165ms、165ms～300ms和300ms～400ms三个时段，分别分析各个时段的功率因数，分析结果如下图所示。

（a）0～165ms电压、电流波形及功率因数

（b）165ms～3ms电压、电流波形及功率因数

（c）3ms～4ms电压、电流波形及功率因数

图11、电压、电流波形及功率因数仿真结果

根据以上仿真分析结果可以看出，0～165ms和165ms～3ms时，有功功率由5kW阶跃为10kW，无功功率始终为0，这两个时段的功率因数均接近于1；3ms～4ms时，加入了无功功率5kW，此时有功功率为10kW，功率因数的理论计算值为10/√(10^2+5^2 )≈0.894，仿真分析结果与理论计算值一致，采用有功、无功解耦控制可以很好地控制网侧输出功率因数。

本文在PSIM中建立光伏发电并网系统模型，研究了有功、无功解耦控制策略，通过功率跟随特性和功率因数分析，验证了控制策略和并网逆变器的有效性，后续可以以此为基础，构建整个微电网系统。