光伏并网逆变器建模

【阻抗建模、验证扫频法】光伏并网逆变器扫频与稳定性分析(包含锁相环电流环)（Simulink仿真实现）

并网逆变器序阻抗扫描与稳定性分析，结合锁相环与电流环，是新能源变流器研究的重要部分。本文旨在介绍一种基于Simulink仿真的光伏并网逆变器扫频与稳定性分析方法。

首先，概述了逆变器序阻抗扫描的关键步骤，包括阻抗建模与验证，以及扫频法的应用。通过设置扫描范围与点数，可以准确评估逆变器在不同电网条件下的性能。程序附带详尽注释，确保代码清晰易懂，包含阻抗建模与扫频两个部分。

进一步，提供了在线讲解，演示如何高效使用仿真程序，一次可扫描五个点，实测30个点仅需2到5分钟。仿真结果包括Nyquist奈奎斯特曲线，为分析提供直观数据支持。

稳定性分析采用序阻抗方法，理论与仿真结果一致。然而，在考虑电网阻抗影响的电流环路分析（dq阻抗）时，遇到特定问题。例如，当电网阻抗为10mH时，仿真显示不稳定现象，序阻抗判定同样不稳定。详细分析结果如下。

运行结果显示，特定条件下逆变器稳定性受到挑战。针对此现象，后续研究可深入探讨电流环路设计与优化，以提高逆变器在弱电网条件下的稳定性能。

参考文献部分，引用了李杨和伍文华的研究，进一步支持本文分析方法的理论基础与应用价值。文章中提及的引用会确保准确性与合法性。

最后，为确保学术诚信，引用来源均注明出处或引用为参考文献。如发现任何不妥之处，请随时联系作者，以便及时修正。

光伏虚拟同步发电机(VSG)并网simulink仿真模型

本文探讨的是光伏虚拟同步发电机(VSG)在并网系统中的Simulink仿真模型，这是一种旨在提升光伏发电系统稳定性和性能的控制策略。该模型的关键组成部分包括：

光伏阵列模型：模拟光伏电池的电气特性、阵列布局和阴影效应，以反映实际的功率输出。

逆变器控制：设计VSG控制策略，通过逆变器实现与同步发电机类似的行为，确保与电网同步运行。

电网连接：连接VSG系统到电网，考虑电网模型、同步控制点等因素，模拟两者之间的交互。

性能评估：通过仿真检查系统的动态特性、稳定性和效率，如频率响应、电压控制等。

控制策略优化：对逆变器控制器和同步发电机模型进行调整，以优化系统性能。

通过Simulink模型，研究者能评估不同控制策略的效果，并优化系统在各种工况下的表现，为光伏虚拟同步发电机的并网控制提供理论依据和实践指导。此外，模型还考虑了光伏板最大功率跟踪和Boost/逆变器控制的优化，确保了系统在高效率的同时保持稳定性。

本文所引用的参考文献为相关研究的深入探讨，为模型的构建和研究提供了技术背景。通过详细模拟和分析，这种仿真模型对于推动光伏技术的进一步发展具有重要意义。

光伏发电并网系统的构成

离网型光伏发电系统组成：

典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、充放电控制器、储能装备或逆变器、负载等组成。其构成如图所示。

光照射到光伏阵列上，光能转变成电能，光伏阵列的输出电流由于受环境影响，因此是不稳定的，需要经过DC-DC转换器将其转变成稳定的电流后，才能加载到蓄电池上，对蓄电池充电，蓄电池再对负载供电。如果是并网售电，则不需要蓄电池，而是通过并网逆变器，将直流电流转换成交流电流，并到电网上进行出售。也就是说，离网型光伏发电系统必须使用到蓄电池储能，而并网型则不一定需要。

控制系统对光伏阵列的输出电压和电流进行实时采样，判断光伏发电系统是否工作在最大功率点上，然后根据跟踪算法，改变PWM信号的占空比，进而控制光伏阵列的输出电压使其工作点向最大功率点逼近。在蓄电池过充过放控制模块中，当蓄电池电压充电或放电到一定的设定值后，就会自动关闭或打开。

光伏阵列组件

光伏发电系统利用以光电效应原理制成的光伏阵列组件将太阳能直接转换为电能。光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0.45V，工作电流约为20~25mA/cm2，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成了光伏电池阵列组件。

当受到光线照射的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳能电池的工作情况可以用下图所示的太阳能电池负载特性曲线来表示。它表明在确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流以及输出功率之间的关系，简称I-V特性和P-V特性。从图中可以看出，光伏发电系统的特性曲线具有强烈的非线性，既非恒压源也非恒流源。从其P-V特性曲线可以看出，在日照强度一定的前提下，其输出功率近似于一个开口向下的抛物线。该抛物线顶点对应的功率即为该日照强度下的P-V曲线的最大功率点，对应的电压称为最大功率点电压。为了提高光伏发电系统的转化效率，就必须使系统保持运行在P-V曲线最大功率点附近。

光伏电池阵列的几个重要技术参数：

1）短路电流（Isc）：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。

2）开路电压（Voc）：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。

3）最大功率点电流（Im）：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。

4）最大功率点电压（Um）：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。

5）最大功率点功率（Pm）：在给定日照和温度下太阳能电池阵列可能输出的最大功率。

DC-DC转换器

光伏电池板发出的电能是随着天气、温度、负载等变化而不断变化的直流电能，其发出的电能的质量和性能很差，很难直接供给负载使用。需要使用电力电子器件构成的转换器，也就是DC-DC转换器，将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能供给负载或者电网。电力电子转换器的基本作用是把一个固定的电能转换成另一种形式的电能进行输出，从而满足不同负载的要求。它是光伏发电系统的关键组成成分，一般具备有几种功能：最大功率点追踪、蓄电池充电、PID自动控制、直流电的升压或降压以及逆变。

DC-DC转换器输出电压和输入电压的关系通过控制开关的通断时间来实现的，这个控制信号可以由PWM信号来完成。主要工作原理是保持通断周期（T）不变，调节开关的导通持续时间来控制电压。D为PWM信号的占空比。

根据输入和输出的不同形式，可将电力电子转换器分为四类，即AC-DC转换器、DC-AC转换器、DC-DC转换器和AC-AC转换器。在离网型光伏发电系统中采用的是DC-DC转换器。

DC-DC转换器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压转换成另一种（固定或可调）的直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC-DC转换电路可以分为很多种，从工作方式的角度来看，可以分为：升压式、降压式、升降压式和库克式等。

降压式转换器（BuckConverter）是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流转换器；升降压式变换器（Buck-BoostConverter）转换电路的主要架构由PWM控制器与一个变压器或两个独立电感组合而成，可产生稳定的输出电压。当输入电压高于目标电压时，转换电路进行降压；当输入电压下降至低于目标电压时，系统可以调整工作周期，使转换电路进行升压动作；而升压式转换器（BoostConverter）是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流转换器，所用的电力电子器件及元件和Buck转换器相同，两者的区别仅仅是电路拓扑结构不同。

蓄电池

在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的。现在可选的储能方法有很多，如电容器储能、飞轮储能、超导储能等，但是从方便、可靠、价格等综合因素来考虑，大多数大中型的光伏发电系统都使用了免维护式的铅酸蓄电池作为系统的储能装置。

但选用铅酸蓄电池也有不足之处，它比较昂贵，初期投资能够占到整个发电系统的1/4到1/2，而蓄电池又是整个系统中较薄弱的环节，因此如果管理不当，会使蓄电池提前失效，增加整个系统的运营成本。

光伏控制模块

光伏控制模块以单片机为控制中心，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电。并在它充电过程中减少蓄电池的损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池免受过充电和过放电的危害。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于受天气等外界因素的影响，太阳电池阵列发出的直流电的电压和电流不是很稳定），同时也通过控制传感器电路（光控、声控等）来实现全自动开关灯功能。

单片机的主要工作是将电流采集电路和电压采集电路采集到的电流、电压进行运算比较，然后通过MPPT算法来调节PWM的占空比D，使光伏阵列组件工作在最大功率点处。

离网型逆变器

住宅用的离网型光伏发电系统因为部分负载是交流负载，因此还需要离网型逆变器，把光伏组件发出的直流电变成交流电给交流负载使用。光伏离网型逆变器与光伏并网型逆变器在主电路结构上没有较大区别，主要区别在光伏并网型逆变器需要考虑并网后与电网的运行安全。也就是同频;同相;抗孤岛等控制特殊情况的能力。而光伏离网型逆变器就不需要考虑这些因数。

为了提高离网型光伏发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，逆变器的性能指标非常重要。

离网型光伏发电系统的应用：

离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。

光伏发电站的逆变器怎么设置

太阳能光伏发电并网系统中的并网逆变器设置方式分为：集中式、主从式、分布式和组串式。

1、集中式

集中式并网方式适合于安装朝向相同且规格相同的太阳能电池方阵，在电气设计时，采用单台逆变器实现集中并网发电方案如图1所示。

对于大型并网光伏系统，如果太阳能电池方阵安装的朝向、倾角和阴影等情况基本相同，通常采用大型的集中式三相逆变器。

该方式的主要优点是：整体结构中使用光伏并网逆变器较少，安装施工较简单；使用的集中式逆变器功率大，效率较高，通常大型集中式逆变器的效率比分布式逆变器要高大约2%左右，对于9.3MWp光伏发达系统而言，因为使用的逆变器台数较少，初始成本比较低；并网接入点较少，输出电能质量较高。该方式的主要缺点是一旦并网逆变器故障，将造成大面积的太阳能光伏发电系统停用。

集中逆变一般用于大型光伏发电站（>10kW）的系统中，很多并行的光伏电池组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相IGBT功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用DSP来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。

最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏电池组串匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率不高。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏电池单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。

在SolarMax(索瑞·麦克)集中逆变器上，可以附加一个光伏电池阵列的接口箱，对每一串的光伏电池组串进行监控，如其中有一组光伏电池组串工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一串光伏电池停止工作，从而不会因为一串光伏电池串的故障而降低和影响整个光伏系统的工作和能量产出。

2、主从式

对于大型的光伏发电系统可采用主从结构，主从结构其实也是集中式的一种，该结构的主要特点是采用2～3个集中式逆变器，总功率被几个逆变器均分。在辐射较低的时候，只有一个逆变器工作，以提高逆变器在太阳能电池方阵输出低功率时候的工作效率；在太阳辐射升高，太阳能电池方阵输出功率增加到超过一台逆变器的容量时，另一台逆变器自动投入运行。

为了保证逆变器的运行时间均等，主从逆变器可以自动的轮换主从的配置。主从式并网发电原理如图2所示。主从结构的初始成本会比较高，但可提高光伏发电系统逆变器运行时的效率，对于大型的光伏系统，效率的提高能够产生较大的经济效益。

3、分布式

分布式并网发电方式适合于在安装不同朝向或不同规格的太阳能电池方阵，在电气设计时，可将同一朝向且规格相同的太阳能电池方阵通过单台逆变器集中并网发电，大型的分布式系统主要是针对太阳能电池方阵朝向、倾角和太阳阴影不尽相同的情况使用的。

分布式系统将相同朝向，倾角以及无阴影的光伏电池组件串成一串，由一串或者几串构成一个太阳能电池子方阵，安装一台并网逆变器与之匹配。分布式并网发电原理如图3所示。这种情况下可以省略汇线盒，降低成本；还可以对并网光伏发电系统进行分片的维修，减少维修时的发电损失。

分布式并网发电的主要缺点是：对于大中型的上百千瓦甚至兆瓦级的光伏发电系统，需要使用多台并网逆变器，初始的逆变器成本可能会比较高；因为使用的逆变器台数较多，逆变器的交流侧和公用电网的接入点也较多，需要在光伏发电系统的交流侧将逆变器的输出并行连接，对电网质量有一定影响。

4、组串式

光伏并网组串逆变器是将每个光伏电池组件与一个逆变器相连，同时每个光伏电池组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样光伏电池组件与逆变器的配合更好。组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器，组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（1kW～5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网。许多大型光伏阀电厂使用组串逆变器，优点是不受光伏电池组串间差异和遮影的影响。

在组串间引入“主-从”概念，使得系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏电池组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主-从”概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。

多组串逆变是取了集中逆变和组串逆变的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同的单独功率峰值跟踪DC/DC变换器，DC/DC变换器的输出通过一个普通的逆变器转换成交流电与电网并联。由于是在交流处并联，这就增加了交流侧的连线的复杂性，维护困难。

另需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流开关进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做。另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或允许使用无变压器式的逆变器。

光伏组串的不同额定值（如：不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等）、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如：东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值上。同时，直流电缆的长度减少、将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。

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