两级单相并网发电系统的PSIM仿真研究

Ｏ－业控制计算机｝２０１３年第２６卷第８期　６７　两级单相并网发电系统的ＰＳ　Ｉ　Ｍ仿真研究　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｔｗｏ　Ｌｅｖｅｌ　Ｇｒｉｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳｌＭ　张　宁　夏　扬　（扬州大学能源与动力工程学院，江苏扬州２２５１　２７）　摘　要　不同于ＭＡＴＬＡＢ，ＰＳｌＭ在电力电子的仿真方面具有更多的灵活性和可操作性，特别是它的Ｃ模块可进行Ｃ语言的　编程，从而更贴近实际的控制器的算法研究。利用ＰＳｌＭ软件，完成了整个两级单相并网发电系统的控制仿真，着重介绍了　ＭＰＰＴ变步长的扰动法，中间母线电容的稳压控制，和系统的控制策略。　关键词：ＰＳＩＭ，两级并网，仿真研究　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｆｒＯｍ　ＭＡＴＬＡＢ　ａｎｄ　ＰＳＩＭ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｉｔｓ　Ｃ　ｍｏｄ—　ｕｌｅ　ｆｏｒ　Ｃ　ｌａｎｇｕａｇｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｔｈｕｓ　ｃｌｏｓｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＳＩ　Ｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｗｏ—－ｓｔａｇｅ　ｇ　ｒｉｄ——ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ＭＰＰＴ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｔｅｐ　ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｂｕｓ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＳｌＭ，ｔｗｏ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　两级并网发电系统Ｅ”是近年来研究较为广泛的一种发电结　构。结构中不加入了笨重的工频变压器或者烦琐的高频变压器。　前级可以将较低的光伏电池直流电压升压到满足并网要求的高　压直流电，后级将此高电压转换交流电并入电网，两级中间加入　母线电容用来耦合前后级。其结构如图１所示　：　用来滤波，二是方便电压的测量。　直流母线电容值为４０００￣Ｆ，滤波电路采用ＬＣ电路，Ｌ为　４ｍＨ　２，Ｃ为１．８　Ｆ。　ＳＣＢ１模块为ＭＰＰＴ计算模块，其输人为光伏电池的输出　电压和输出电流，输出为一个电压指令，用来作为光伏电池需要　跟踪的电压Ｕｒｅｆ。　Ｃ　逆变电路载波为２０ｋＨｚ。　２系统的控制策略　１）相位的同步控制：系统中要保证并网运行，需要对逆变器　图１　两级单相并网结构　的输出电流进行控制，使得其输出相位与电网电压相位相同，这　里是用ＰＩ对其进行控制，算法如下：　ｓｉｎｗｔ　１　全系统的ＰＳＩＭ仿真模型　图３并网电流控制　用一个相位和电网同步的电流信号，作为指令，逆变器的实　际电流作为被控量，采用常用的ＰＩ控制，就能达到电流Ｉ跟踪指　令信号的目的。　２）电容电压的稳定控制：逆变器要正常并！竺　竺　网，需要输入电容电压稳定，且电压值大于电　图２全系统仿真图　ｌ　二　Ｕｄｃ　压的峰值（单相为３１１Ｖ），设计中希望其为全系统的仿真模型如图２所示，整个系统可以细分为６个　部分：①光伏电池；②ＢＯＯＳＴ电路；③直流母线电容；④逆变电　路；５，滤波电路，６控制电路。其中，光伏电池使用的系统中的　Ｓｏｌａｒ　Ｍｏｄｕｌｅ物理模型，其参数如表１所示：　表１光伏电池模型参数　４００Ｖ。母线电容作为前端Ｂ０ＯＳＴ电路和后端　冲作用。如下图所示：　．１一　逆变电路的中间载体，其实起到一个功率的缓图４电容功率　Ｂ０ＯＳＴ电路输出功率为Ｐａｃ，逆变器输入功率为Ｐａｃ（ｔ）。　那么电容上存储的功率即为Ｐａｃ—Ｐａｃ（ｔ），如果Ｐａｃ＞Ｐａｃ（ｔ）那　么电容电压将上升，反之将减小。因而在前端输出功率变化的时　候，只有实时的调节Ｐａｃ（ｔ）和Ｐａｃ相匹配，才能使得Ｕｄｃ的电　其中Ｕｏｃ，Ｉｓｃ，Ｕｍａｘ，Ｉｍａｘ，Ｐｍａｘ分别代表了光伏电池的　开路电压，短路电流，最大功率点的电压、电流和功率。　ＢＯＯＳＴ电路电感值为７００￣Ｈ，ｍｏｓ管的载波频率为　１００ｋＨｚ。输入端串人了２块１０００ＦＦ的电容，好处有两个，一是　压保持稳定。因而要使用以下的算法：　图５中，旨在建立电压Ｕｄｃ和电流Ｉ　ｒｅｆ　．　的关系，用ＰＩ控制来实现。以４００Ｖ电压作　４　为指令使得电容电压跟踪Ｕｄｃ，实际上当　图５电容电压控制　两级单相并网发电系统的ＰＳＩＭ仿真研究　Ｕｄｃ大于４００Ｖ时，说明逆变器输入电压变小，所以通过ＰＩ调　节来增大Ｉｒｅｆ，使得逆变器输入功率增大，反之也是一样的道理。　３）ＭＰＰＴ控制。传统的定步长的ＭＰＰＴ方法［３］，如果要快速　完成，就要使用大步长进行跟踪，这样会造成功率震荡大。如果　用小步长又会使得跟踪的时间变长。因而再次选用了一种变步　长的跟踪方法。原理如图６。在Ａ、Ｂ、Ｃ点使用相同的电压扰动，　但是功率的变化量是不一样的。所以变步长的方法就是通过检　测功率的变化量，来选择步长，如果检测到的功率变化量在减　少，那么扰动步长也相应减少，这样到达最大功率点附近时，由　于扰动量很小，所以功率振动也极小，损失的功率可忽略。同时，　由于在Ａ点，功率变化量大，步长也就大，这样就可以加快跟踪　速度。在ＰＩＳＭ的ｓｃｂｌ模块（ｃ模块中）正是利用这种方法，来　寻找光伏电池的最大功率点电压Ｕｒｅ｛。类似逆变电路的控制方　法，对此Ｕｒｅｆ进行跟踪，使得光伏电池的实际电压Ｕｐｖ最终工　作在最大功率点上。　Ｐ　ｅ娜　ｌＯ∞　９∞　ｉ　—　１＼　Ｃ　６∞　棚０　冬　…　…　Ｂ　∞　／　～　…一……　………　一　……　Ａ　Ｏ　锄　Ｏ　ＳＯ　Ｉ∞　Ｖ∞　图６　ＭＰＰＴ算法　系统的仿真步长为１Ｘ１０＿６Ｓ，ＭＰＰＴ模块Ｃ程序如下：　／／该程序在前６０ｍｓ等待系统的稳定，初始输出电压为ＩＯＯＶ，稳定后每　过１０ｍｓ进行一次Ｕｒｅｆ值的更新，同时用到了１Ｏ次求平均功率的算　法，保证采样值的准确性／／　＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜Ｓｔｄｌｉｂ　ｈ＞　＃ｉｎｃｌｕｄｅ＜Ｓｔｒｉｎｇ．ｈ＞　ｉｎｔ　ｇ—ｎＩｎｐｕｔＮＯｄｅｓ＝０：　ｉｎｔ　ｇ—ｎＯｕｔｐｕｔＮＯｄｅｓ＝Ｏ：　ｉｎ１　ｇ—ｎＳｔｅｐＣｏｕｎｔ＝０；　ｄｏｕｂｌｅ　Ｕ１，ｌ１Ｉｍ＝ｌ００，ｎｕｍ＝ｌ，ａ＝０，Ｐ＝０，Ｐ２＝０；　ｄｏｕｂｌｅ　Ｐ３，Ｐ１，ｎ，ｄｅｌｔａＰ；　ｄｏｕｂｌｅ　ｍｃ＝１Ｏ：　ｇ—ｎＳｔｅｐＣ０ｕｎｔ＋＋：　ｉｆ（ｇ—ｎＳｔｅｐＣｏｕｎｔ＞＝６ＯＯＯＯ）　｛　ａ＋＋：　ｉｆ（ａ＞＝１　００００）　｛　Ｕ１＝ｉｎ［Ｏ】：　｝１＝ｉｎ［１］：　Ｐ１＝Ｕ１　１１：　Ｐ２＝Ｐ２＋Ｐ１：　ｉｆ（ｎｕｍ＝１０）　｛　Ｐ３＝Ｐ２／１　０：　Ｐ２＝０；　ｎｕｍ＝ｌ：　ｉｆ（Ｐ３＞＝Ｐ）　｛　ｄｅｌｔａＰ＝Ｐ３一Ｐ：　Ｐ＝Ｐ３；　ｍｃ＝ｍｃ；　｝　ｅｌｓｅ　｛　ｄｅｌｔａＰ＝Ｐ・・Ｐ３；　ｍｃ＝－ｍｃ：　｝　ｉｆ（ｄｅｌｔａＰ＞６０）　｛ｎ＝ｌ：｝　ｅｌｓｅ　ｉｆ（ｄｅｌｔａＰ＜６）　｛ｎ＝０．１：ｌ　ｅｌｓｅ｛ｎ＝ｄｅｌｔａＰ／６０；｝　ｍ＝ｍ＋ｎ　ｍｃ；　ｏｕｔ［０］＝ｍ；　ａ＝Ｏ：　｝　ｅｌｓｅ　｛　ｎＵｍ＋＋：　｝　ｌ　ｌ　ｅｌｓｅ　｛　ｏｕｔ［０］＝ｍ；　）　３系统的仿真结果　设置系统的光照条件为１Ｏｄ０＼＾『／ｍ　，母线电容电压的初始　值为４００Ｖ。　＿　’　．　图７光伏电池输出实际功率，理想功率。和母线电容电压　”　”　Ｔ　图８电网电压和并网电流波形　圈９并网电流ＴＨＤ　（下转第７０页）