基于QuaRC的光伏并網(wǎng)逆變仿真系統(tǒng)設(shè)計

孫昌權(quán)　季希寧

摘 要：并網(wǎng)逆變器是光伏新能源的核心部件，直接影響電能質(zhì)量、發(fā)電效率和使用壽命等，因此構(gòu)建了一套基于QuaRC軟件的半實物光伏并網(wǎng)逆變器仿真試驗系統(tǒng)。設(shè)計基于光伏組件供電的升壓模塊、逆變模塊和并網(wǎng)控制模塊，可實現(xiàn)最大功率點跟蹤、Boost升壓、DC-AC逆變、電網(wǎng)電壓頻相鎖定及孤島效應(yīng)檢測等控制算法。通過搭建實際平臺和試驗驗證，證明光伏并網(wǎng)半實物逆變器仿真試驗系統(tǒng)能快速構(gòu)建并網(wǎng)逆變器原型系統(tǒng)，且縮短了核心設(shè)備的開發(fā)周期，具有重要的研究價值和工程意義。

關(guān)鍵詞：逆變器;并網(wǎng);半實物仿真;最大功率點跟蹤

中圖分類號：TM615;TM464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

作為新型能源，光伏發(fā)電已經(jīng)成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤炭化石能源的主力供電形式，并在國民生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大作用[1]。光伏供電系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器作為光伏新能源的核心部件，是承接光伏組件與電網(wǎng)之間的樞紐，直接影響電能質(zhì)量、發(fā)電效率、使用壽命與維護成本。然而，基于數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）的傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器開發(fā)平臺存在開發(fā)環(huán)境復(fù)雜、試驗數(shù)據(jù)獲取不便、調(diào)試效率低及成本高等不足之處。因此，如何設(shè)計實物或半實物的快速原型實時系統(tǒng)成為重要的研究內(nèi)容。由此，筆者提出構(gòu)建基于QuaRC軟件的光伏并網(wǎng)逆變器半實物仿真實時控制系統(tǒng)，使控制算法研究、模型搭建及試驗驗證等全過程開發(fā)環(huán)節(jié)能夠高效銜接，縮短并網(wǎng)逆變器的研發(fā)周期。

1 光伏并網(wǎng)逆變器的基本原理

光伏并網(wǎng)分為隔離型和非隔離型。其中，隔離型是在光伏組件與電網(wǎng)之間加入隔離變壓器，抗干擾能力強;非隔離型逆變器能有效提高逆變器轉(zhuǎn)換效率，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低廉。

光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括4個方面。

①光伏組件功率跟蹤控制（Max Power Point Tracking，MPPT）。光伏電池組件受日照、溫度及霧霾等環(huán)境因素的影響，輸出特性為非線性。為使光伏組件工作在最大輸出功率下，一般需要在光伏電池與外部負(fù)載之間加入一級最大功率跟蹤電路。最大功率點跟蹤常用的控制算法包括固定電壓法、擾動觀察法及電導(dǎo)增量法等。近年來，一些基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等的智能方法也引入跟蹤控制中。如何方便、快捷和穩(wěn)定地控制光伏電池的輸出工作功率，是影響光伏組件供電性能的重要因素。

②光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)拓?fù)?。并網(wǎng)逆變器需要根據(jù)功率等級合理選擇整體或分級設(shè)計功率跟蹤和直-交流逆變環(huán)節(jié)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單，但單體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大;分級結(jié)構(gòu)效率相對低，但抗干擾性能較強。

③并網(wǎng)鎖頻鎖相。局部電力輸出系統(tǒng)并入電網(wǎng)的前提是逆變輸出必須與電網(wǎng)電壓保持頻率、相位同步，輸出電流對電網(wǎng)電壓、相位跟蹤鎖定。因此，需要逆變并網(wǎng)環(huán)節(jié)實時捕捉電網(wǎng)電壓的頻率和相位，并對逆變正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）波進(jìn)行調(diào)制。

④孤島效應(yīng)檢測。光伏電池在電網(wǎng)發(fā)生故障時需要避免單獨向負(fù)載供電，因此需要主動或被動檢測光伏逆變輸出功率與局部負(fù)載之間的平衡關(guān)系。當(dāng)檢測到局部供電情況時，應(yīng)及時切斷光伏并網(wǎng)逆變器[2]。

2 基于QuaRC軟件的光伏并網(wǎng)仿真試驗系統(tǒng)設(shè)計

2.1 試驗仿真系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計一套基于QuaRC軟件的光伏并網(wǎng)逆變半實物實時仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對功率跟蹤、升壓、逆變、濾波及并網(wǎng)等各個控制環(huán)節(jié)的仿真試驗。半實物仿真系統(tǒng)又被稱為硬件在環(huán)控制系統(tǒng)，可將控制算法模型轉(zhuǎn)換成控制程序，利用MATLAB/Simulink模型環(huán)境實現(xiàn)被控過程中算法模型的動態(tài)控制。通過QuaRC軟件實現(xiàn)對仿真算法控制模型設(shè)計，再通過QPID和QPIDe數(shù)據(jù)采集和運動控制卡，實現(xiàn)仿真模型與試驗測控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的實時交換。

QuaRC是與MATLAB/Simulink兼容的實時控制和快速原型設(shè)計軟件，能利用Simulink模型配置環(huán)境，簡化復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制流程，實現(xiàn)機電一體化和控制應(yīng)用程序的實時開發(fā)和部署。QuaRC還配置了基于PCI總線的QPID和PCIE總線的QPIDe多功能數(shù)據(jù)采集卡，能實現(xiàn)高速、高精準(zhǔn)及多通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采樣。

光伏并網(wǎng)逆變仿真系統(tǒng)由升壓模塊、逆變模塊和并網(wǎng)模塊組成。其中，升壓模塊包含光伏組件、Boost升壓及最大功率點跟蹤控制電路，通過占空比控制程序，使光伏組件輸出最大工作功率，并提升直流電壓達(dá)到并網(wǎng)幅值要求;逆變模塊包含全橋驅(qū)動逆變電路和濾波電路，輸出符合并網(wǎng)要求的交流電;并網(wǎng)控制模塊包含輸出電壓檢測、電流頻率檢測和電壓頻率相位檢測電路，通過電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制程序調(diào)整SPWM波形，調(diào)制逆變器與電網(wǎng)之間的頻、相輸出條件[3-5]。單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2.2 試驗系統(tǒng)控制算法設(shè)計

光伏并網(wǎng)逆變仿真試驗系統(tǒng)控制程序主要包含DC-DC的Boost升壓驅(qū)動控制程序模塊和DC-AC的全橋逆變驅(qū)動控制程序模塊。

Boost升壓驅(qū)動程序模塊包含光伏輸入電壓電流檢測、最大功率點跟蹤控制、母線電壓檢測及保護和基于PWM的波形調(diào)制驅(qū)動程序，針對光伏組件受環(huán)境因素影響的問題，利用MPPT控制使得光伏組件輸出功率最大化，同時通過Boost升壓電路使得低電壓的直流電變成符合并網(wǎng)幅值的直流母線高電壓。具體實現(xiàn)的Simulink控制程序參見圖2。

DC-AC的全橋逆變驅(qū)動程序模塊包含基于SPWM調(diào)制的逆變控制程序和并網(wǎng)控制程序，通過控制逆變橋功率開關(guān)管的通斷使得母線直流電壓變成交流電，同時通過檢測逆變輸出及并入電網(wǎng)的電壓電流的頻率和相位，實現(xiàn)逆變器輸出的交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相。具體實現(xiàn)的Simulink控制程序見圖3。

3 仿真系統(tǒng)試驗驗證

試驗系統(tǒng)硬件由光伏板、功率板、信號轉(zhuǎn)接口板、供電直流電源、變壓器及QUARC運動控制卡等構(gòu)成，能滿足半實物并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的功能要求。QuaRC是兼容MATLAB/Simulink的實時控制和快速原型設(shè)計軟件，能很好地嵌入MATLAB/Simulink模型配置環(huán)境，具有強大的工具模塊和功能模塊，能夠簡化復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制流程，實現(xiàn)實時機電一體化和控制應(yīng)用程序的開發(fā)和部署。QuaRC配套的基于PCI總線的QPID和基于PCIE總線的QPIDe多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有實時采樣和高精度轉(zhuǎn)換等功能。I/O轉(zhuǎn)換時間短，能對多種I/O類型同步采樣。光伏組件是硬件電路的輸入，線性直流電源是電源電路的輸入。通過半實物實時算法控制器實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制、Boost升壓、全橋逆變及并網(wǎng)鎖頻鎖相等控制后并入電網(wǎng)發(fā)電。

3.1 基于MMPT控制的Boost升壓試驗

模型主體結(jié)構(gòu)包括光伏電池模塊、MPPT算法控制模塊、Boost升壓電路模塊及PWM調(diào)制模塊等。輸入電壓設(shè)置為直流24 V，輸出電壓設(shè)置為直流230 V，電壓占空比范圍為85%～90%。QPIDe數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10 kHz，根據(jù)實際情況進(jìn)行具體設(shè)置。

圖4為示波器實測Boost升壓電路功率MOS管控制輸出的電壓實際波形圖。系統(tǒng)占空比調(diào)節(jié)范圍確定為80%～90%，通過升壓實際輸出與參考直流電壓230 V的電壓差值進(jìn)一步優(yōu)化占空比調(diào)節(jié)。

3.2 基于SPWM調(diào)制的逆變并網(wǎng)試驗

逆變器輸出采用電壓外環(huán)控制，設(shè)定一個參考電壓值。當(dāng)輸出電壓高于參考電壓時，增大輸出電流，反之則減小輸出電流，從而達(dá)到輸入輸出功率平衡。實質(zhì)上，對SPWM的調(diào)制是對預(yù)設(shè)正弦表參數(shù)的設(shè)置，可避免采樣電流與內(nèi)部計數(shù)器比較產(chǎn)生占空比的過程。以10 kHz采樣頻率為例，調(diào)制與電網(wǎng)同頻的50 Hz的SPWM波，設(shè)置半波的正弦表參數(shù)為100個，通過占空比-時間轉(zhuǎn)換程序，即可使QPIDe PWM模塊輸出預(yù)期調(diào)制的SPWM信號。

仿真試驗系統(tǒng)采用小功率設(shè)計，可將穩(wěn)定的電網(wǎng)狀態(tài)看成一個大型的抗干擾濾波器，將外部輸入的幅值和相位進(jìn)行鉗位，將逆變輸出的方波視為小的波動。因此，逆變輸出交流方波與電網(wǎng)電壓同頻同相，符合并網(wǎng)要求，可將逆變器輸出并入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器仿真系統(tǒng)的逆變并網(wǎng)輸出的電壓波形和電流波形，分別如圖5和圖6所示。

圖5中，通道1代表逆變器并入電網(wǎng)的電壓波形，通道4代表電網(wǎng)的波形。由圖5可以看出，并入電網(wǎng)后的波形與電網(wǎng)波形基本同步，頻率存在偏差，但誤差在允許范圍內(nèi)。通過電流傳感器檢驗?zāi)孀儾⒕W(wǎng)輸出電流波形，圖6中通道1代表逆變器并網(wǎng)后的輸出電流波形，通道4代表降壓后的電網(wǎng)波形。由圖6可以看出，電流波形與電網(wǎng)電壓基本同步，因平臺參數(shù)未做最優(yōu)調(diào)節(jié)，電流波形有抖動，并網(wǎng)諧波處理較差，后期需進(jìn)一步研究改善。

4 結(jié)語

所設(shè)計的一套基于QuaRC軟件的光伏并網(wǎng)逆變仿真系統(tǒng)，利用MATLAB/Simulink強大的控制系統(tǒng)模型化設(shè)計功能，通過QPIDe數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器半實物試驗仿真系統(tǒng)，拓展了逆變器研究形式。通過詳細(xì)研究升壓、逆變和并網(wǎng)各個軟硬件控制模塊，實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器各項功能，整個課題對研究光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的開發(fā)利用有一定的支撐作用和參考意義。后續(xù)將進(jìn)一步展開基于光伏并網(wǎng)逆變器半實物仿真系統(tǒng)的參數(shù)最優(yōu)調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量及智能控制算法等方面研究，優(yōu)化光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)的研究利用。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國報告大廳.2020—2025年中國分布式太陽能光伏發(fā)電行業(yè)市場深度研究及發(fā)展前景投資可行性分析報告[EB/OL].（2020-05-30）[2021-08-25].http：//www.chinabgao.com/report/6772355.html.

[2]張凌.單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制[D].北京：北京交通大學(xué)，2007：5.

[3]曹太強，許建平，祁強，等.單相光伏并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)[J].電力自動化設(shè)備，2012（5）：133-136.

[4]楊曉光，姜龍斌，馮俊博，等.一種新型高效無變壓器型單相光伏逆變器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015（8）：97-103.

[5]葛鵬江，李怡，郭文科.無變壓器型單相光伏并網(wǎng)逆變器的設(shè)計[J].中國電力，2016（1）：144-147.