基于PSpice的光伏并网系统仿真研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于PSpice的光伏并网系统仿真研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要:采用DC/DC和DC/AC两级拓扑结构对光伏并网系统进行了研究和设计,采用改进的定电压跟踪法(CVT)实现最大功率点闭环跟踪,并将PWM控制器引入并网逆变中,采用三角波比较方式实现SPWM电压逆变和输出电流的波形跟踪与控制,在电压、电流内环的基础上引入功率外环以实现系统前后级功率平衡和能量管理,采用基于pspice的光伏电池仿真模型对所设计光伏并网系统进行了仿真。仿真结果表明,基于PSpice的光伏仿真模型能够有效地模拟实际光伏并网系统的行为特征,将PSpice软件用于光伏发电系统的仿真是可行的。

关键词:光伏并网系统; 最大功率点跟踪; 移相全桥软开关; DC/AC逆变; PSpice仿真

中图分类号:TM774 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)12-0185-03

Simulation Research on Photovoltaic Grid-connected System Based on PSpice

FANG Bo, WANG Ye

(School of Electrical and Information Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000,China)

Abstract:DC/DC and DC/AC topological structures is adopted to study and design the PV grid-connected system. The closed-loop tracking for MPPT is realized with the improved constant voltage tracking method. The PWM controller is introduced into the grid-connected inverter. The SPWM voltage contravariance and waveform tracking control of the output current are implemented by triangle wave comparison method. Based on voltage and current inter loops, the power outer loop is set up for the power balance between the stages and energy management. The PV grid-connected system is simulated with PV cell array model based on PSpice. The simulation results show that the PV model based on PSpice can effectively simulate the behavior characteristics of the actual PV grid-connected system and PSpice software can be used for PV power system simulation.

Keywords: PV grid-connected system; MPPT; SP-FB-ZVS; DC/AC invert; PSpice simulation

0 引 言

由于光伏电池的特殊性质,在光伏发电系统的研究开发过程中,整个系统的优化设计十分重要,利用计算机对系统进行仿真和辅助设计对于在技术上确定和改善系统的性能、整定元器件参数、分析启动和失效等极端情况、优化控制策略,以及在经济上缩短研发周期、降低开发成本等方面都有着重要的意义。可用于光伏系统的仿真平台软件有Matlab,SIMPLORER,PSIM等,这些仿真软件各有各的特点和适用范围。

PSpice是一款功能强大、应用广泛的电子电路仿真软件,具有元器件丰富、支持数/模混合仿真、使用方便等优点[1-2]。本文将PSpice仿真软件引入到光伏发电系统,将PSpice仿真模型用于光伏并网发电系统的模拟。

1 光伏并网发电系统的拓扑结构 [1,3-4]

光伏并网系统的拓扑结构有单级式并网、两级式并网和多级式并网等,单级式并网拓扑在一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪、DC/AC逆变以及光伏电池和电网之间的隔离,结构紧凑,但存在电池电压纹波较大或没有能量解耦环节、效率低等缺点。多级式并网拓扑能同时实现逆变桥低开关频率、DC/DC变换器正弦半波直流输出、光伏电池与电网间能量解耦等多种功能,但存在结构复杂、成本增加等缺点。在此采用DC/DC和DC/AC两级拓扑结构,其中DC/DC变换采用移相全桥软开关(PS-FB-ZVS)工作方式,并通过控制电路实现光伏电池最大功率点跟踪、光伏阵列与电网隔离、闭环恒压、功率管软开关等功能。DC/AC逆变采用电压源型自换相逆变并网方式和双极性SPWM逆变工作方式,通过控制电路实现正弦电流输出和并网功率因数为1。两级式光伏并网拓扑结构图如图1所示。

图1 两级式光伏并网拓扑结构

2 两级式光伏并网系统的控制策略 [1,4-5]

由于光伏电池的特殊特性和对并网电流的特定要求,以及实现最大功率点跟踪的要求,光伏并网系统的控制策略和控制方式是实现整个系统优良性能的关键,本文两级式光伏并网系统的控制策略如图2所示。仿 真电路模型如图3所示。

图2 两级式光伏并网系统的控制策略

图3 PCpice仿真电路图

图2中全桥DC/DC变换电路实现光伏电池最大功率点跟踪,最大功率点跟踪方式有恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观测法、电导增量法、“上山”法等。这些方法各有特点,本文采用改进的定电压跟踪法(CVT)实现最大功率点闭环跟踪。通过检测光伏阵列输出电压与给定电压的比较控制全桥DC/DC变换器的占空比来实现恒定电压闭环控制。DC/AC逆变采用电压源型逆变并网技术,将PWM控制器引入并网逆变中,采用三角波比较方式实现SPWM电压逆变和输出电流的波形跟踪与控制。同时,为了实现逆变输出电流对电网电压的相位跟踪,保证并网功率因数为1,需要对电网电压相位进行检测并实现逆变给定正弦电流对电网电压相位的跟踪。在DC/DC变换的电压内环控制和DC/AC电流内环跟踪控制的基础上将光伏阵列最大实时输出功率和并网逆变器输出功率进行比较,让逆变输出功率去跟踪太阳能光伏阵列的最大发电功率,实现系统前后级功率平衡和能量管理,确保系统工作的稳定性。通过在DC/DC变换后高压直流母线上并联一个电容C或蓄能电池,可以很好地实现前后级能量解耦,使前级DC/DC变换的恒压闭环控制和后级DC/AC逆变的闭环电流跟踪控制相对独立,系统运行将更加稳定可靠。

3 基于PSpice的光伏并网系统仿真 [2,6]

基于上述两级式光伏并网发电系统拓扑结构和控制策略,采用PSpice仿真平台建立的光伏并网系统仿真电路模型如图3(a),(b)所示。仿真模型的技术参数如下:

输入:光伏电池组件1组(标准条件下峰值工作电压17.5 V,峰值工作电流350 mA,峰值功率6 W)。

DC/DC:17.5 V/80 V,开关频率100 kHz。

输出:AC 50 V,120 mA,50 Hz正弦波,图3(a)中,光伏电池PV ARRAY的仿真模型根据硅型光伏电池的物理结构构建[3,6],Q1,Q2,Q3,Q4构成H桥,L1,L2J,L3Ч钩筛咂蹈衾肷压变压器,变比n1:n2=1∶6,高频逆变后的PWM波经D166,D167,L5全波整流滤波后对蓄能电池组V1充电。U33等构成全桥移相控制电路[7],U22及其电路构成PI型闭环调节器,R4,R5分压电路对光伏电池输出电压取样后与给定电压V12比较后由控制器给出H桥4只开关管的移相驱动信号对主电路进行移相控制,实现光伏电池恒定电压跟踪和功率开关管的软开关,从而达到光伏系统高效率、低损耗的目的。图3(b)中,Q5,Q6,Q7,Q8为逆变H桥,L30为滤波电感,V77为电网单相电源模型。设电网电压为理想正弦波,则逆变控制器只需让并网逆变器的输出电流去跟踪该电压波形即可,即让电网电压取样作为逆变电流的给定,而给定的幅度由并网发电功率决定。U137,U19A,U170A等构成三角波比较型SPWM逆变控制电路。其中,U19A及其电路组成PID闭环调节器,通过调节C6,C217,R111,R770等参数可以改善逆变电流对输出电压的跟踪性能,本文中取C6=30 nF,C217=9 nF,R111=30 Ω,R770=2 kΩ。

图4为光伏电池CVT 控制的输出电压和输出电流仿真波形。图5为DC/DC变换器的隔离变压器原边电压和电流仿真波形。图6为DC/AC逆变器输出电流跟踪电网电压相位的仿真波形。

图4 光伏电池CVT 控制的输出电压和输出电流仿真波形

图5 DC/DC变换器的隔离变压器原边电压和电流仿真波形

图6 DC/AC逆变器输出电流跟踪电网电压相位的仿真波形

4 结 语

本文采用PSpice仿真平台构建了光伏并网系统模型并进行了仿真研究,仿真结果表明,本文光伏并网系统采用全桥DC/DC变换、全桥DC/AC逆变两级式拓扑结构能够较方便地实现光伏并网控制,通过两级间引入蓄能电池(或电容)能够较好地实现前后级之间的解耦控制,采用恒定电压跟踪在一定程度上实现了最大功率点跟踪,并且实现方法简单可靠。采用三角波比较闭环跟踪PID控制能够较好地实现双极性SPWM逆变及并网电流对电网正弦电压波形的跟踪,在电网电压波形较理想的情况下,可将电网电压取样波形作并网逆变电流的给定,从而大大简化逆变输出电压、电流相位跟踪的设计。在DC/DC电压闭环和DC/AC电流闭环的基础上通过对光伏电池输出功率和逆变并网输出功率的比较和跟随,对DC/AC的输出电流和功率进行调节,能够使光伏并网系统运行稳定。

参考文献

[1]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.

[2]贾新章.orCAD/PSpice 9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[3]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

[6]方波,张武勤.基于PSpice的硅型光伏电池电特性仿真研究[J].通信电源技术,2009,26(5):64-66.

[7]Texas Instruments. BiCMOS advanced phase shift PWM controller[M]. Texas: Unitrode Products from Texas Instruments SLUS157B, 1999.