摘   要：

  光伏单相并网系统通过逆变器将太阳能电池板产生的直流电转化为交流电并入电网，在住宅、小型商业建筑及偏远地区电力供应中应用广泛，但存在光伏出力不稳定、系统惯性减弱、且行业对研发及应用型人才需求迫切。为解决上述问题并满足人才培养需求，固纬电子研发了电力电子系统PTS（Power Training System）与电力电子模组PEK（Power Electronic kits）。本文围绕 PTS5000 平台与 PEK-510 单相光伏逆变器模组展开研究，PEK-510 前级为具备最大功率点跟踪功能的升压式转换器，后级为实现交直转换的单相全桥逆变器，且为全数字控制系统，可通过 PSIM 软件完成仿真及控制程序生成与下载。

  文章介绍了光伏单相并网系统组成，包括 PTS5000 平台的组成部分及 PEK-510 模组的电路配置；利用 PSIM 软件构建了光伏发电最大功率点跟踪与单相逆变器仿真模型，明确了性能指标并得出仿真结果；在 PTS5000 平台进行实验，模拟不同光照下的 PV 曲线，分析了不同负载情况下的功率消耗、电网功率吸收及电路自身功率损耗，还展示了前级 BOOST 电路与后级单相逆变器的相关信号。研究表明，PEK-510 模组能高效利用太阳能并实现余电上网；PTS 与 PEK 系列构建的一体化教学流程，实现了从理论到实践的无缝对接；PEK的模块化与开放性设计便于灵活组合实验内容及二次开发；该系统能有效提升学生实践与创新能力，且 PEK 模块降低了学习难度，使学生可专注于电力电子原理和控制策略学习，对解决光伏单相并网系统问题及高校人才培养具有重要意义。

引 言

  光伏单相并网系统，把太阳能电池板发出的直流电转为交流电并入电网，在分布式发电领域发展迅猛。目前其在住宅、小型商业建筑及偏远地区电力供应中应用广泛。不少家庭安装此系统以节能减排、节省电费。然而，该系统仍存问题。一方面，光照条件多变致使光伏出力不稳定，引发电压波动与闪变，影响设备运行。同时，高比例光伏并网使系统惯性减弱，调节频率波动的能力下降，且易造成三相不平衡，加大线路损耗，危及变压器安全。另一方面，非隔离型光伏系统中的共模电压会引发漏电流，既增加损耗，又威胁人身安全。

  随着市场规模持续扩张，行业对人才需求迫切。研发环节急需掌握电力电子技术等知识的专业人才，以攻克逆变器转换效率提升等技术难题；在系统安装、调试与维护方面，也需要大量实践经验丰富的应用型人才，保障系统稳定运行。

  固纬电子在对新能源应用市场和高校人才培养需求充分充分调研基础上，研发了电力电子系统PTS（Power Training System）和电力电子模组PEK（Power Electronic Kits），在满足设备技术最先进的前提下，能达到深入理解光伏单相并网系统的工作原理与运行特性，如模拟光伏单相并网系统的搭建与调试，使学生在实践中提升解决实际问题的能力。因此本文从系统组成、仿真和实验等方面论述能解决目前光伏单相并网系统问题的PTS和PEK510装置，以达到学生能够更专注于电力电子原理和控制策略的学习、提升教学效果和学习效率实现从理论到实践的无缝对接、提高解决实际问题的能力等目的。

光伏单相并网系统组成

光伏单相并网系统组成

  本光伏发电单相并网系统框图如图1所示。即光伏发电单相并网系统通过PEK510模组在PTS5000平台上实现。PTS5000实验平台主要由PSW160可编程直流电源、PEL-3031直流电子负载、功率计、ASP-300模拟交流电源和GPL-500交流电子负载等组成。

图1 光伏发电单相并网系统框图

  PEK-510模组是实现光伏发电单相并网系统关键部件。PEK-510 为单相光伏逆变器模组(Single Phase PVInverter Module)，模组图片如图2 所示，前级为升压式转换器(Boost Converter)，后级为单相全桥逆变器(Single Phase Inverter)，其为全数字控制系统，实验实施方法如图 3所示。PEK-510模组研发的目的是提供电力转换器采用数位控制的学习平台，让使用者通过PSIM 软件，除以模拟方式学习电力转换器的原理、分析及设计外，亦可通过PSIM中的SimCoder 工具将控制电路转换为数字控制程序，并可实际将以 DSP 取代原连续仿真再作一次离散模拟，最后并可将通过离散仿真验证过的控制程序C代码下载到 DSP。实验过程中也可以再借助RS232-USB，让PC机与 DSP 进行控制及通信，以验证所设计电路及控制器之正确性。

图2 单相光伏逆变器实验模组

图3 模组使用步骤

PEK-510模组配置

  PEK-510模组配置框图如图4所示。可区分为功率电路、测量电路、驱动电路以及保护电路。其中功率电路可分为两级， 即前级的BOOST电路和后级的单相逆变电路，前级的BOOST可实现光伏发电的最大功率点跟踪功能；后级的单相逆变电路实现将直流电能转化为交流电能的功能。同样测量电路分为两部分，其一为模组上测试点量测使用，另一部分为送至 DSP 控制使用，其衰减倍率各不相同。图中也显示了DSP 输入输出脚位配置。

图4 PEK-510模组电路配置框图

光伏单相并网系统功能仿真

PSIM仿真软件

  PSIM（Power Simulation）是一款面向电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件，主要具有这些特点，一是易用性强。表现在采用直觉式 GUI，界面简洁直观，即使是初学者也能迅速上手，缩短了设计周期。二是计算速度快。PSIM 的电力电子求解器在保证精度的同时提供了无与伦比的计算速度，能够快速处理复杂的电力电子系统模型，克服了其它多数仿真软件的收敛失败、仿真时间长的问题。三是丰富的系统模型库。表现在预置了丰富的模型库，涵盖了各种电子元件，包括各种开关器件、电感、电容、变压器等，减少了模型构建时间，提高了工作效率。四是功率器件损耗建模与计算。可以计算开关器件（二极管、MOSFET、IGBT、SiC/GaN 器件）的开关和传导损耗以及电感器的磁芯和绕组损耗，且不会降低仿真速度。五是自动代码生成。软件提供从原理图自动生成嵌入式 C 代码功能，以便在支持的 TI C2000/6000 DSP 硬件上无缝实施。

光伏单相并网系统仿真建模

本论文仿真利用PSIM软件完成。

PEK510光伏单相并网逆变器电路性能指标如下：

  利用PSIM建立的光伏发电最大功率点跟踪仿真模型如图5所示。由图可以发现，仿真电路模型由PV与BOOST、检测与控制和最大功率点跟踪MPPT三部分组成。仿真结果如图6所示。

图5 光伏发电最大功率点跟踪仿真模型

图6 光伏发电仿真结果

  由图6的仿真结果可以发现，仿真开始时间（Strat）为50mS, 在0.15mS时，仿真进入稳态阶段，进入稳态阶段模拟光伏极板的输出电压VP为50V，输出电流Ip为2.4A，输出功率Ppv为120W。

  同样利用PSIM建立的单相逆变器仿真模型如图7所示。由图可以发现，仿真电路模型由DC-AC功率电路、检测与控制和锁相环（PLL）三部分组成。仿真结果如图８所示。

图7 单相逆变器仿真模型图

图８ 单相逆变器仿真结果

  由图8的仿真结果可以发现，在0.15mS时，仿真进入稳态阶段，表现逆变器的输出频率f为50Hz，逆变器的输出电流Io等于单相交流电源电流Is，为稳定的正弦波。单相交流电源吸收的功率Pac等于光伏极板发出的功率Ppv，即为120W。

实验及结果

实验准备

  在PTS5000平台上按照图9进行接线，打开相关电源，利用PC计算机和下载器下载该实验的控制程序，同样利用PC计算机和数据线调用PVMain以便让PSW160直流电源按PV曲线设置输出， 还有利用PC计算机与USB-RS232连接线让PSIM上的DSP示波器可以监控DSP的内部中间参量。

图9 光伏单相并网系统实验接线图

实验过程及结果

  按照以上接线和相应的设置后就可以实验，实验室现场实验装置图如图10所示。

图10 实验装置图

  当PEK-510锁相完成后，继电器开起，PEK-510 即与 APS-300 并网，可以看到 APS-300 开始提供功率，随后也可看到 PSW的输出功率向MPPT 点移动。在实验过程中，预设两条不同的 PV 曲线，用以模拟不同光照下所产生的不同曲线。两条曲线切换可随时切换，最终都会向各自的最大功率点逼近。模拟PV处于第一条曲线的最大功率点如图11所示，实验中最大功率点功率为120W，单相交流负载设定如图12所示，即为满载工作模式，此时消耗的功率为112W（理论计算值），APS-300提供功率显示图如图13所示，即为7.4W。在这种满载实验模式下，电源提供的总功率为120+7.4 =127.4W，说明前级BOOST电路和逆变器自身消耗的功率为12.４W。

图11 PV 处于第一条曲线的最大功率点

图12 GPL-500 满载设定

图13 满载时APS-300提供功率显示图

  当交流负载为两个42Ω并联时，其消耗的功率为三个电阻并联的三分之二，即76.2W，而模拟光伏发电的功率为120W，未被交流负载消耗的多余功率只有馈入交流电网，即被APS－300吸收。此时APS－300提供功率显示图如图14所示。由图可以发现，此时ASP－300吸收的功率为-30.3Ｗ。即在这种情况下，模拟光伏发电为120W，负载消耗76.2W，馈送交流电网的为30.3Ｗ，其余的13.2W是被BOOST变换器和单相逆变器消耗掉。

图14 三分之二负载时APS-300提供功率显示图

前级BOOST电路的电感电流和开关管PWM信号如图15所示。

图15 BOOST电路的电感电流和开关管PWM信号

后级单相逆变器输出电压和电流信号如图16所示，其中CH1为速出电压，CH2为电流信号。

图16 单相逆变器输出电压和电流信号

  该实验观测了 PV 曲线的输出功率以及由 MPPT 控制器而达到最大功率输出和单相并网逆变器的功率平衡。

结 论

  本文阐述了模拟光伏发电的最大功率点跟踪和单相逆变并网实现的关键技术，结论如下：

模组高效利用太阳能，余电上网

  PEK510模组前级为升压式转换器，后级为单相逆变器。升压式电路具有最大功率点追踪(MPPT)的功能，模拟太阳能面板维持于最大功率输出，即使 PV 曲线因环境有所影响，仍可维持最高利用率。单相逆变器则与市电并联，将能量传递至负载及市电。

一体化教学流程

  实现全流程教学平台。PTS 系列电力电子开发设计与实训系统提供了从电路原理、设计、仿真到实作验证的全流程教学平台。搭配 PEK 系列模块，如论文中介绍的 PEK510 单相光伏逆变器模组，学生可借助 PSIM 软件完成仿真，并通过其 C 代码生成功能将控制部分生成 C 代码，下载到 PEK 的 DSP 中进行实物实验，实现了从理论到实践的无缝对接。

模块化与开放性设计

  PEK采用先进的模块化设计。如 PEK520 永磁同步发电机型风电逆变器实验模块、PEK530 微网逆变器基本实验模块等。这种设计便于根据教学需求灵活组合实验内容，同时开源式设计提供了模块电路图档和详细电路原理，方便教师和学生进行二次开发和深入研究。

提升实践与创新能力

  PTS＋PEK 系统注重培养学生的实践能力和创新思维。基于 PTS-5000 建立的实验教学中心，既能满足本科教学的演示型、验证型实验，也能满足设计型和创新型实验，如 PEK-520 模块可完成最大风能跟踪实验、低电压穿越实验等，有助于学生深入理解专业知识，提高解决实际问题的能力。

易学有收获感

  易学上手收获自信。对于一些复杂的控制技术，如 DSP 控制，PEK 模块通过与 PSIM 软件的结合，让不懂 C 语言编程的学生也能快速完成 DSP 对变换器主电路的控制，降低了学习难度，使学生能够更专注于电力电子原理和控制策略的学习，实验效果也是学生有收获感。

参考文献

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