基于PSpice ABM的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究

方波，白政民，康龍云

（1.許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；3.廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

基于PSpice ABM的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究

方波1,2，白政民1，康龍云2,3

（1.許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；3.廣東省綠色能源技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

為探索光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的PSpice仿真方法，以實際課題中兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)為背景，根據(jù)光伏電池的物理數(shù)學(xué)模型，采用orCAD/PSpice10.5模擬行為模型(ABM)方法建立了光伏陣列仿真模型和光伏并網(wǎng)發(fā)電控制器模型，實現(xiàn)了兩級式光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)級仿真，并對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)受溫度、光照影響進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，采用PSpice可對大型光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行較高精度的模擬仿真，基于PSpice ABM建模的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真具有實際工程意義，為光伏系統(tǒng)級仿真提供了一種方便有效的仿真方法和手段。

PSpice仿真；模擬行為模型；兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；鎖相環(huán)

計算機仿真是電子光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助設(shè)計和分析必不可少的重要方法和手段，Matlab和PSIM是光伏發(fā)電領(lǐng)域較常用的軟件仿真平臺[1-3]，都可用于光伏系統(tǒng)級仿真，但是其元件庫中元器件種類有限，元器件大多是理想模型，仿真結(jié)果過于理想化，忽略了實際系統(tǒng)的許多細(xì)節(jié)問題，對于系統(tǒng)設(shè)計僅具有原理性和邏輯性的參考意義。orCAD/PSpice是一款元件庫豐富、功能強大、應(yīng)用廣泛的電路仿真軟件，該軟件用于電力電子仿真有其獨特的優(yōu)勢，但是由于光伏電池的非線性性質(zhì)和輸出特性受光照、溫度等多種因素的影響，以及光伏控制系統(tǒng)中的特殊運算，目前采用PSpice用于光伏系統(tǒng)的仿真尚不多見。文獻[4]采用PSpice常規(guī)建模方法建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，只能對小功率的光伏系統(tǒng)進行原理性的仿真，不具有實際工程價值。文獻[5]采用模擬行為模型(ABM)建模方法建立了光伏陣列PSpice模型，但沒有進行光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)級仿真。文獻[6]進行了光伏電池和陣列的PSpice ABM建模及光伏到DC/DC變換器的仿真，但亦未進行并網(wǎng)逆變的系統(tǒng)級仿真。本文將PSpice ABM建模方法引入到實際光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，在上述研究的基礎(chǔ)上，采用ABM建模方法建立了光伏并網(wǎng)逆變控制器，從而實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)級的仿真，仿真結(jié)果表明基于PSpice ABM建模的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真具有實際工程意義。

1 兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光伏陣列由KC50T型光伏組件16串4并構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)條件下額定電壓為276 V，額定電流為12.44 A，最大功率為3 400W。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理組成

2 兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制方式

本文中光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由DC/DC變換器和H橋逆變器兩級電路串接而成，兩級之間彼此獨立控制，可使控制變量前后解耦、控制目的易于實現(xiàn)、控制性能得到保證。

2.1 DC/DC變換級控制方式

圖1中DC/DC變換級采用Boost升壓電路，在升壓的同時實現(xiàn)最大功率點跟蹤。由于光伏電池的最大功率點受溫度影響嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)的CVT法將使系統(tǒng)功率損失大、效果不理想。本文根據(jù)光伏電池m-、m-C近似線性關(guān)系，采用一種改進的CVT控制策略，通過檢測光伏電池溫度并實時對常規(guī)CVT的最大功率點電壓給定值進行線性修正。改進型CVT控制策略框圖如圖2所示。采用這種改進的CVT控制方式，既保留了CVT方法實現(xiàn)方式簡單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，又使得控制效果大大提高，具有很強的實用性。

圖2 改進型CVT控制策略框圖

2.2 DC/AC逆變級控制策略[7]

光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略是整個光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的關(guān)鍵，圖1中DC/AC逆變級采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制方式，電流內(nèi)環(huán)用于逆變器輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓相位，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)接近1，電壓外環(huán)用于保持直流母線電壓穩(wěn)定。并網(wǎng)逆變器的直流母線側(cè)即Boost變換器輸出電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，使得光伏逆變器輸入電壓保持穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)電流幅值參考值*由直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出給定，通過鎖相環(huán)獲得電網(wǎng)電壓相位角θ，并由sinθ、*的乘積獲取瞬時輸出電流參考值*，電流內(nèi)環(huán)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，由三角波比較電路生成雙極性SPWM波。

3 基于orCAD/PSpice ABM的光伏系統(tǒng)的建模與仿真

在將orCAD/PSpice用于光伏系統(tǒng)仿真時主要有兩個關(guān)鍵問題，一個是受光照和溫度影響的非線性的光伏電池與光伏陣列的建模，一個是并網(wǎng)逆變控制器中鎖相環(huán)的PSpice實現(xiàn)。

3.1 基于PSpice ABM的光伏陣列建模[5-7]

圖3 光伏電池的等效電路

根據(jù)光伏電池單元的物理機制和數(shù)學(xué)模型，采用模擬行為模型建模方法建立光伏陣列的PSpice仿真模型，如圖4所示。圖中，U1為光伏電池單元的等效二極管的仿真模型，建立其Pspice模型庫文件(.lib)如下：

將其保存于指定目錄下，建立相應(yīng)的元器件符號庫文件并與內(nèi)核庫文件聯(lián)接。

圖4 光伏陣列仿真模型

3.2 并網(wǎng)逆變控制器鎖相環(huán)的PSpice實現(xiàn)

3.2.1 鎖相環(huán)[8]

鎖相環(huán)原理框圖如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)原理框圖

鑒相器一般由模擬乘法器構(gòu)成，設(shè)外界輸入信號和壓控振蕩器輸出的信號分別為：式中：ω是壓控振蕩器的固有振蕩角頻率；ω是輸入信號的瞬時振蕩角頻率；θi(t)和θo(t)分別為輸入信號和輸出信號的瞬時相位。模擬乘法器的輸出電壓D經(jīng)低通濾波器LF濾除和頻分量后，剩下的差頻分量作為壓控振蕩器的輸入控制電壓()，()為：

3.2.2 光伏并網(wǎng)鎖相環(huán)的PSpice實現(xiàn)

光伏并網(wǎng)時一般要求并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位保持一致，從而使得并網(wǎng)功率因數(shù)到達(dá)或接近1，但是上述鎖相環(huán)只能夠保證對頻率的跟蹤，當(dāng)跟蹤達(dá)到穩(wěn)定時，ω=ω，但瞬時相位差θ為一個不確定的常數(shù)，因此傳統(tǒng)鎖相環(huán)并不能完全滿足光伏并網(wǎng)控制的需要。

本文以傳統(tǒng)鎖相環(huán)的模擬乘法器和低通濾波器為基礎(chǔ)，對其進行改進，改進電路如圖6所示。圖中，將電網(wǎng)電壓信號Vsin_in與鎖相環(huán)的輸出Vcos_out送給乘法器，然后經(jīng)低通濾波器濾除高頻信號，得到相位差Δθ，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后使得相位差逐漸逼近于0。

圖6 鎖相環(huán)(PLL)PSpice仿真電路圖

為了實現(xiàn)sin和cos函數(shù)運算，圖中運算單元U1采用模擬行為模型建模方法建立其Pspice模型庫文件(.lib)如下：

3.3 基于orCAD/PSpice ABM建模的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真

將上述光伏陣列和鎖相環(huán)的ABM模型應(yīng)用于orCAD/ PSpice的光伏并網(wǎng)仿真系統(tǒng)，即可實現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)級仿真，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 系統(tǒng)啟動到穩(wěn)定運行過程仿真波形

圖8 當(dāng)和分別變化時的仿真波形

4 結(jié)束語

本文采用orCAD/PSpice模擬行為模型建模方法建立了光伏陣列仿真模型和并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)鎖相環(huán)模型，并將其應(yīng)用于4 kW兩級式光伏逆變并網(wǎng)仿真系統(tǒng)中，實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)級仿真。通過仿真建模、運行和仿真波形分析，得出了如下結(jié)論：

（1）采用orCAD/PSpice模擬行為模型建模方法可對大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)進行較高精度的系統(tǒng)級模擬仿真，仿真結(jié)果接近工程實際，具有較高的工程實用價值，為光伏發(fā)電系統(tǒng)級仿真提供了一種方便有效的仿真工具和手段；

（2）采用orCAD/PSpice模擬行為模型建模方法可方便地實現(xiàn)光照和溫度對光伏系統(tǒng)運行影響的模擬仿真。

[1]劉勝榮，楊蘋，肖瑩，等.兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的無差拍控制算法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(8)：26-29.

[2]黃成玉，張全柱，鄧永紅，等.單相光伏兩級并網(wǎng)系統(tǒng)的MATLAB仿真研究[J].電源技術(shù)，2011，35(5)：553-555.

[3]何人望，吳迅，齊艷，等.基于PSIM的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究[J].電源技術(shù)，2012，36(6)：826-827.

[4]方波，王曄.基于PSpice的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(4)：185-187.

[5]王章權(quán)，張超，何湘寧.基于PSpice模擬行為模型的光伏陣列建模[J].計算機仿真，2007，24(8)：225-228.

[6]白政民，方波，張元敏.基于orCAD/PSpice ABM仿真的光伏新型改進CVT控制研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011，39：126-131.

[7]趙爭鳴，劉建政.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[8]聶洪濤.4 kW屋頂光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

Simulation research of grid-connected photovoltaic system based on PSpiceanalogy behavioralmodel

FANG Bo1,2,BAIZheng-min1,KANG Long-yun2,3

In order to exp lore the PSpice simulationmethod of grid-connected photovoltaic system,on the background of double-stage grid-connected PV inverter system of the actualproject,according tomathematicalphysicsmodelof grid-connected PV Cell,the simulation modelof PV array as wellas power controllermodelof grid-connected PV system was constructed w ith adoption of orCAD/PSpice10.5 analogy behavioral model(ABM)realizing the double-stage grid-connected photovoltaic system simulate.Grid-connected PV system influenced by intensity of illum ination and tem perature was simulated.The simulation results show that large PV array grid-connected power system could be simulated to a high approximation degree w ith PSpice ABM,and simulation of grid-connected PV power system based on PSpice ABM has practicalengineering significance,providing an effective and convenient simulationmethod for PV system simulation.

PSpice simulation;analogy behavioralmodel(ABM);double-stage grid-connected photovoltaic system; phase-locked loop(PLL)

TM 615

A

1002-087 X(2014)05-0861-03

2013-10-18

河南省科技攻關(guān)項目(112102310536)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14A470007)

方波(1973—)，男，河南省人，碩士，副教授，主要研究方向為電力電子與新能源發(fā)電技術(shù)。