光伏發(fā)電系統(tǒng)篇：三電平并網(wǎng)逆變器實時仿真

一、三電平并網(wǎng)逆變器

在能源轉(zhuǎn)型加速的當(dāng)下，分布式能源接入電網(wǎng)需求大增。三電平并網(wǎng)逆變器憑借低諧波、高功率密度等優(yōu)勢，有效提升電能轉(zhuǎn)換效率，于新能源并網(wǎng)發(fā)電中擔(dān)當(dāng)關(guān)鍵角色。

常見的三電平電路拓撲結(jié)構(gòu)包括二極管鉗位型、飛跨電容型、級聯(lián)型以及T 型等。其中，二極管鉗位型三電平和 T 型三電平電路較為常用。本篇中我們基于EasyGo實時仿真器EGBox Mini，對三電平光伏并網(wǎng)逆變器進行仿真實驗驗證。通過與離線實驗結(jié)果進行對比，可以看到EasyGo實時仿真平臺PQ波形與離線一致。并且，在調(diào)節(jié)直流電壓設(shè)定值后，波形能夠?qū)崟r跟隨變化，并保持穩(wěn)定。

實驗說明，EasyGo實時仿真設(shè)備具備良好的仿真效果，在實際科研/教學(xué)中可以替代真實設(shè)備進行三電平并網(wǎng)逆變器的仿真模擬。實驗再次驗證了 Easygo 仿真平臺的準確性與可靠性，可為企業(yè)/實驗室提供高效、安全的測試平臺。

近幾年，T 型三電平拓撲發(fā)展迅速。與中點鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）型三電平逆變器相比，該拓撲無需鉗位二極管，僅用 12 個功率開關(guān)器件，器件使用數(shù)量更少，有效解決了傳統(tǒng)二極管中點鉗位型拓撲器件過多、損耗分布不均等問題。

三相NPC三電平光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要包含光伏電池模塊、最大功率跟蹤控制、NPC逆變器及逆變控制、逆變器出口濾波以及交流電網(wǎng)等部分。并網(wǎng)逆變控制采用基于dq解耦的雙閉環(huán)控制，控制框圖如下：

系統(tǒng)的整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖：

二、離線仿真

搭建TNPC光伏并網(wǎng)逆變器離線模型如下所示。

光伏電池在標準情況（溫度25℃，光照強度1000S/㎡）下，單塊光伏電池開路電壓44.2V，最大功率處電壓35.2V，短路電流5.2A，最大功率處電流4.95A，光伏電池串聯(lián)數(shù)為10，并聯(lián)數(shù)為58，額定功率100kW。正常運行過程中，逆變器直流側(cè)電壓500V，交流電網(wǎng)電壓380V。

并網(wǎng)逆變器運用基于直流電壓外環(huán)與電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。外環(huán)將逆變側(cè)直流電壓與給定直流電壓對比，其誤差經(jīng) PI 運算后，作為內(nèi)環(huán) d 軸電流環(huán)參考值 id_ref，id_ref 與 d 軸電流實際值 id 比較并經(jīng) PI 運算得到脈沖生成信號 Ud；同時，電流環(huán) q 軸參考值 iq_ref 與實際值 iq 比較且經(jīng) PI 運算得到脈沖生成信號 Uq。

通常，為實現(xiàn)并網(wǎng)效率最大化，iq_ref 設(shè)定為 0。

運行模型，逆變器直流側(cè)電壓給定值為500V。為檢驗光伏整體控制效能，將光照強度依次設(shè)定為1000W/㎡、1200W/㎡、1000W/㎡、800W/㎡，于 0.05s 啟動光伏 DC/DC 控制， 0.1s 啟動 VSC 控制，仿真結(jié)果如圖：

從波形可以看出：在0.1s，VSC控制啟動后，Vdc在短時間被控制到設(shè)定值500V；在光照強度按設(shè)定值變化時，系統(tǒng)也能快速跟隨變化，并維持穩(wěn)定。

三、EasyGo 實時仿真

EGBox Mini產(chǎn)品系列是基于CPU+FPGA硬件架構(gòu)設(shè)計的一體式緊湊型實時仿真產(chǎn)品，屬于EGBox 系列實時仿真器的入門級產(chǎn)品。其不同型號可完成硬件在環(huán)測試系統(tǒng)（HIL）或者快速控制原型系統(tǒng)（RCP）。將控制模型和拓撲模型分別通過仿真上位機部署進兩個實時仿真器（EGBox Mini），整體架構(gòu)如下圖所示：

實時運行波形如下所示：

可以觀察到：當(dāng)光伏前端設(shè)置溫度為25℃，光照強度10000S/㎡，直流電壓500V時，其PQ波形與離線一致。調(diào)節(jié)直流電壓設(shè)定值后，波形也能實時地跟隨變化，并保持穩(wěn)定。

EasyGo實時仿真平臺基于Matlab/Simulink的實現(xiàn)方式具有上手快、通用性強的特點，在完成端口配置的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)免培訓(xùn)操作。上位機軟件 Desksim 可通過在線調(diào)參功能對系統(tǒng)的功率電路部分進行實時調(diào)控，這里就不過多贅述。

三電平并網(wǎng)逆變器實時仿真就分享到這里了，歡迎感興趣的工程師們咨詢溝通。