具有MPPT功能的單級式光伏并網發電系統仿真分析

張 崢

(新疆電力設計院，新疆烏魯木齊830002)

0 引言

光伏發電分為獨立光伏系統和并網光伏系統，獨立光伏系統電池費用占總費用的20%［2］，成本較高，而并網型光伏發電由于其造價低，輸出電能穩定，具有廣闊的發展前景［3］，也是未來發展的方向［4］。因此，本文建立了單級光伏并網系統電路，采用光伏陣列仿真模型進行了光伏發電系統仿真研究，使光伏系統輸出電流相位跟蹤電網電壓相位滿足并網要求，并在此基礎上通過改變控制回路中電流大小實現了光伏陣列的最大功率跟蹤。

1 單級光伏系統主電路拓撲

在光伏發電系統中，逆變器的性能是整個系統性能的關鍵，光伏系統可以分為單級式光伏系統和兩級式光伏系統。傳統的兩級式系統由直流變換環節和逆變環節構成，功率點控制由直流變換環節完成，后者控制逆變及并網過程，雖然設計思路及實現相對簡單，但環節較多，系統體積大，成本較高，轉換效率較低。以1個能量變換環節實現并網的單級式系統只存在1級逆變結構，轉換效率較高，拓撲結構簡單［4－6］。光伏陣列是光伏發電系統的基礎部件，其I－U，P－U特性受光照強度和工作環境溫度的影響呈非線性關系。單級式單相光伏并網系統主電路結構如圖1所示。它主要由光伏陣列 PV、直流側平波電容 C1、VT1、VT2、VT3、VT4組成的雙向全橋變換器和濾波環節組成。由于光伏陣列的伏安特性曲線是1個非線性曲線，因此光伏系統需要完成的2個最主要的功能就是光伏陣列的最大功率點的跟蹤和并網跟蹤。

圖1 單級光伏并網系統主電路結構

2 MPPT算法的比較

光伏陣列的輸出特性是1個非線性曲線，其輸出功率隨光照和溫度的變化而變化，而且在某個特定條件下其輸出功率只在特定電壓下保持最大功率，其輸出I－U，P－U特性曲線呈非線性變化，需要在光伏控制系統中實現其最大功率的跟蹤(MPPT)，保證其輸出功率隨光照和溫度的變化而始終工作在最大功率點附近。現在主要采用的光伏陣列跟蹤功率方法主要有恒電壓跟蹤法和最大功率跟蹤方法。由于恒電壓跟蹤(CVT)法光伏陣列的輸出電壓固定在某個恒定值，光伏陣列的最大功率點擺動幅度不大，但在外界條件變化過多的情況下 CVT法將損失過多的功率，影響系統的效率［7］，因此現在更多采用MPPT方法。

2.1 光伏模型

基于matlab/simulink的光伏陣列模型主要根據數學模型建立光伏陣列模型［8］，其光伏陣列V－I輸出特性的表達式為

式中:Isc為短路電流;Voc為開路電壓。

式中:Im為最大功率點電流;Vm為最大功率點電壓;DI、DV分別為太陽光照輻射和溫度影響參數，由光照和溫度變化系數決定。

2.2 MPPT 算法

最大功率跟蹤算法主要包括擾動觀察法(P＆O)和導納增量法(IncCond)以及由此改良的各種算法，其它還有短路電流法(SC)、寄生電容法(PC)、線性電流法(LC)和各種模糊控制方法［9］。擾動觀察法原理比較簡單，即不斷的擾動電壓使電壓變化同時檢測功率變化的方向，如果功率減小則反向擾動，否則同向繼續擾動。由于這種方法需要不斷的擾動電壓，所以陣列輸出功率會在最大功率點附近反復震蕩，并有可能產生誤判斷。導納增量法是根據光伏陣列最大功率點處功率對電壓的導數為零的條件來進行最大功率點判斷的。若電壓變化量為零，電流變化量大于零，減小給定電壓的幅值，反之則增大。若電壓變化量不為零，則判斷輸出電導的變化量是否等于輸出電導的負值;若電導變化量大于負電導值，減小給定電壓的幅值，反之則增大幅值。該方法理論上能避免擾動觀察法穩定條件下功率震蕩的問題。其判斷條件為［10］

導納增量法精確度最高，由此衍生出了多種改進方法，其缺點為算法比較復雜，硬件質量要求比較高，運算時間較長，應用性得到了一定的限制。

3 系統控制策略及其過程

典型的光伏系統逆變器多數采用電壓源逆變電路結構，與電網之間有緩沖電感，逆變器輸出電流和輸出電壓之間有1個很小的夾角，輸出一定的無功。逆變器輸出的有功功率大小由MPPT控制。系統的控制目標是使逆變器輸出電流的相位和電網電壓相位保持一致，輸出功率達到光伏陣列在此時刻的最大輸出功率。

逆變器輸出功率為

式中:USM為并網電壓幅值;ISM為并網電流幅值;θ為電網電壓與并網電流間的相位差。通過式(1)可知，并網電流可以被調制成與電網電壓同相的正弦波，實現系統的功率因數為1。而調整ISM就可以調整逆變器的輸出功率，從而可以實現最大功率的跟蹤。光伏并網系統的控制框圖如圖2所示。

圖2 光伏并網系統的控制框圖

在圖2中，逆變器輸出電流反饋到控制主回路，與參考正弦比較后，調節輸出電流的相位，控制功率因數。若直流側功率小于最大輸出功率，則增加逆變器輸出電流，反之則減小。最后通過與三角波比較得到四路PWM輸出。

4 系統仿真及其結果

依據上述的控制方法及主電路結構，本文利用Matlab2008b/simulink搭建了單級光伏逆變系統仿真模型，如圖3所示。

在圖3中，光伏陣列開路電壓為430 V，短路電流為10.65 A。標準溫度為28℃、標準光照為1 kW/m2時，光伏陣列最大功率點電壓為400 V，最大功率點電流為10.25 A。L、C1為逆變輸出濾波裝置，C為直流側電容。由于仿真中存在電網電流回饋影響直流側電流，由此檢測到的直流側功率會失真，無法進行準確的最大功率點跟蹤。所以，在光伏陣列和逆變器之間應增加抗干擾環節，才能保證MPPT輸入端電流的準確。

在光照變化條件下，應用此系統進行光伏陣列并網實驗，初始條件:溫度為25℃，光照為0.6 kW/m2。在運行到 0.5 s時，光照突變為 1.2 kW/m2。由直流側輸出功率可以看出，光照變化后功率能夠上升到光伏陣列的最大輸出功率。輸出電流的相位基本能夠跟蹤電網電壓的相位，輸出電流的幅值能夠隨著光照的升高而升高。系統可以實現并網電流與電網電壓的相位跟蹤，并通過改變并往電流的大小改變光伏陣列的輸出功率，達到最大功率跟蹤的目的，圖4為系統的輸出結果。

從圖4中可以看到，在光伏陣列輸出功率改變的情況下，系統輸出的無功功率并沒有顯著的變化，這說明系統并網的相位跟蹤是穩定的。

圖3 系統仿真模型

圖4 系統的輸出結果

5 結論

具有MPPT功能的單級式光伏并網發電系統仿真實驗表明，利用Matlab2008b/Simulink建立光伏陣列模型和光伏并網系統，并網效果良好，能在外界環境改變的情況下及時調整光伏陣列的輸出功率達到最大功率點，保持系統穩定。

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