光伏發電系統建模及關鍵技術分析

郭 琦 趙子玉

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

隨著智能電網建設規劃的推進，太陽能作為理想的可再生能源，其應用前景正變得越來越廣闊。開發利用太陽能的主要途徑就是光伏發電，其優點包括無噪聲、無污染，能源隨處可能且取之不盡，不受地域限制，可以無人值守，建設周期短，規模設計自由度大等[1-3]。

光伏發電有離網獨立供電和并網供電兩種工作方式。過去由于光伏電池的生產成本居高不下，所以光伏發電多數被用于偏遠的無電地區，且以中小系統等離網型用戶居多。但是近年來，光伏產業及其市場發生了極大的變化，開始逐步向城市并網發電、光伏建筑集成的方向快速邁進。

本文開展了基于Matalb的光伏發電系統的建模仿真，分析了光伏發電系統建立過程中的一些關鍵技術，并利用所建模型對光伏發電系統離網獨立供電和并網供電兩種工作方式進行了對比分析。

1 光伏發電系統介紹

光伏發電系統按照系統功能可分為兩類，一種為不含蓄電池環節的“不可調度式光伏發電系統”，另一種為含有蓄電池組的“可調度式光伏發電系統”?？烧{度式系統由于增加了儲能環節，在與系統的調度配合上要優于不可調度式系統，但同時也帶來一些弱點，如蓄電池壽命較短、價格昂貴、較為笨重且難于處理，而且系統安裝和調試較為復雜、可靠度相對較低。因此在當前的技術條件下不可調度式系統的應用規模相對較大[4]。本文分析的對象為不可調度式光伏發電系統，其結構如圖1所示。

圖1 光伏發電系統結構圖

光伏發電系統的建模包括光伏電池模型的建立、逆變器的設計及其控制方案的選擇、光伏電池最大功率點跟蹤方案設計、并網鎖相環技術的軟件實現等幾個關鍵方面[5]。

2 光伏發電系統各部分結構建模

2.1 光伏電池建模

光伏電池模型的建立要在光生伏打效應這一基本原理的基礎上考慮到由于太陽電池結溫和日照強度導致的太陽電池參數變化而產生的對輸出特性的影響。根據太陽能電池的內部結構和輸出伏安特性，可用一個電流源并聯上一個二極管的電路來表征電池板的輸出特性[6]，如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

在電路模型中，電流源的電流與照射到電池板上的光強成正比關系，同時受溫度的影響；二極管的飽和電流也受溫度的影響；串聯上的電阻是為了使模型更加準確的表征從電池板最大功率點到開路電壓這個范圍內的伏安特性；電池板的分流二極管用電路圖中的二極管表示，通過選擇最佳的質量因素使得它與電池板的伏安特性最好的匹配。當電路無接入負載時，電流大部分通過二極管分流，而當接入負載時，電流部分地流入到負載。據此可建立光伏電池的數學模型。構建的Matlab模型如圖3所示。

圖3 光伏電池仿真圖內部封裝結構

2.2 升壓電路設計

光伏陣列的輸出電壓需要通過一級 DC/DC升壓電路提升到后級逆變器需要的直流電壓值。Boost變換器由于變換器存在的損耗單元較少，其效率可以做的較高，其控制策略簡單，易于設計與控制建模，所以采用了 Boost升壓變換器。可通過對占空比的控制保持輸出電壓在一個變化范圍內，從而增大了輸入電壓的可調范圍。電路模型如圖4所示。

圖4 DC-DC升壓變換器M atlab仿真圖

2.3 逆變電路設計

電網可視為容量無窮大的交流電壓源，若控制光伏系統的輸出為一個交流電壓源，則光伏發電系統和電網實際上就是兩個交流電壓源的并聯；若要保證系統的穩定運行，則必須同時嚴格控制并網系統輸出電壓的幅值和相位[7]。這種并網系統和電網之間可能會出現環流，系統不易穩定運行。因此，光伏并網系統應被設計為電壓型的電流源系統，逆變器的輸出電壓幅值自動被鉗位為電網電壓，通過采用控制技術實現并網電流與電網電壓的相位同步。

采用單相全橋脈寬調制逆變器作為逆變環節，其包括4個功率半導體元件和一個輸出電感。脈寬調制逆變器是要輸出與電網電壓同相的電流從而得到單位功率因數，所以用電流反饋控制方案來實現對4個功率開關通斷的控制，降低由負載變化而引起的變化。逆變器的控制方案采用電流滯環反饋控制，將所要求的并網電流的正弦波給定值與實際并網電流相比較，誤差信號經過滯環控制器處理后，產生相應的脈寬調制信號，控制功率器件的開通與關閉，使并網電流波形為與電網電壓同頻同相的正弦波。電路模型如圖5所示。

圖5 電流滯環反饋控制逆變器

2.4 最大功率跟蹤方案設計

光伏組件的伏安特性呈非線性，最大功率點隨輻射強度和溫度的變化而變化。在特定的環境條件下光伏發電系統最大功率輸出對應的工作點只有一個。為提高光伏電池效率，最大功率點跟蹤問題就顯得尤為重要。在不可調度式光伏并網系統中，可通過調整并網逆變器指令電流的大小以實現 MPPT控制。常用的MPPT實現方法有定電壓跟蹤法、功率回授法、擾動觀察法及增量電導法等[8]。

本文采用變步長的擾動觀察法，系統首先計算出當前時刻太陽電池陣列的輸出功率，然后和上一時刻的輸出功率作比較。如果當前時刻的功率大于上一時刻的功率，則表示此時變化的方向正確，應繼續向這個方向變化。如果當前時刻的功率小于上一時刻的功率，則表示此時變化方向己經偏離最大功率點，應該按照和原來給變化方向相反的方向改變。而在變化過程中又應根據所處的狀態調整步長的大小。步長即指令電流的變化，可用功率對電壓的變化率表征當前的狀態，步長的大小應根據當前的狀態在光伏電池功率－電壓關系曲線上所處位置而定。采用功率對電壓變化率的比例放大作為判斷應采用步長的依據。用S函數實現MPPT，其程序流程圖如圖6所示。

圖6 M PPT流程圖

2.5 鎖相環方案設計

在光伏并網發電系統中，為了保證并網電流和電網電壓嚴格同頻、同相，必須使用鎖相環（PLL）技術。鎖相環是指能夠自動追蹤輸入信號頻率與相位的閉環控制系統。鎖相環的實現有模擬鎖相環（APLL）、數字鎖相環（OPLL）、混合鎖相環（HPLL）及軟件鎖相環（SPLL），前三種是以硬件方式實現鎖相，有著較為復雜的硬件電路，后一種則是由輸入信號硬件采樣和鎖相軟件配合實現鎖相。軟件鎖相便于實現DSP控制，靈活性好，并且可以方便地通過軟件設定來調整并網電流和電網電壓之間的相位差，這意味著可以通過光伏并網系統在向電網注入有功功率的同時向電網注入無功功率，實現對電網的無功補償。

本文采用軟件鎖相，思路是通過捕獲電壓和電流信號的正向過零點來獲得電網電壓和電流的相位信息，通過控制指令電流的相位實現鎖相。S函數的程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件鎖相環流程圖

3 光伏發電系統離網獨立供電仿真與分析

不可調度系統由于沒有蓄電池，無法保證供電的穩定性和連續性，所以通常情況下不獨立帶負載。但對于不重要的負載或一些特殊情況，光伏發電系統也可直接對負載供電。負載可分為交流負載和直流負載。直流負載接于升壓變換器的輸出端，如對電壓有嚴格要求，則無法使用MPPT技術。本文討論的是接到逆變器輸出端的交流負載。

獨立帶載的情況下，逆變器要作為穩定的電壓源輸出，因此要使用電壓控制，保持輸出電壓恒定。系統的輸出功率由負載決定，因此無法使用 MPPT技術。輸出電壓和電流的相位是由負載決定的，因此用不著鎖相環。

輸出電壓控制的方法有電壓平均值反饋控制、電壓瞬時值反饋控制、電壓電流雙閉環反饋控制等。本文采用的是電壓電流雙閉環反饋，是將電壓平均值反饋同電流控制結合了起來，既簡單又保證快速和穩定。其基本思路是：先實時檢測輸出電壓，將其與給定的標準正弦輸出電壓相比較，得到輸出電壓誤差，再用比例積分環節調節補償這個誤差得到電流基準，將它與輸出濾波電感電流瞬時值相減，獲得電流誤差信號，再對這個電流誤差信號進行調節，得到 PWM調制波，最后與恒頻三角載波比較產生開關控制PWM脈沖。電路模型如圖8所示。

圖8 系統獨立帶載的仿真圖

系統輸出電壓和電流波形如圖9所示。系統獨立帶載時，經過最初的仿真程序起動時間后，很好的實現了電壓恒定輸出，輸出的電流和電壓都是很好的正弦波形。光伏陣列的輸出功率由負載決定，當負載過大時，光伏陣列的輸出電壓會下降，系統產生不穩定；當負載很小時，光伏陣列的輸出功率較低，電池沒有得到很好的利用。

圖9 系統獨立帶輕載輸出波形

4 光伏發電系統并網供電仿真與分析

光伏發電系統要與電網相連，應保證其輸出滿足電網在電能質量方面規定的指標，要求逆變器在負載或日照變化幅度較大的情況下仍能高效穩定運行[9]。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負載的變化有關，這就要光伏發電系統具有最大功率跟蹤功能，可通過系統自動調節實現陣列的最佳運行。并網情況還應考慮本地交流負載，真正輸入電網的并網電流應等于逆變器的輸出電流減去負載電流。如果是電阻性負載，那么只需要一次鎖相就可以保持同步而不會受MPPT控制下指令電流的幅值變化的影響。如果是電感性負載，那么隨著指令電流幅值的變化，輸出電流幅值也隨之變化，而負載電流不變，使得并網電流的大小和相位發生變化，需要再次鎖相。這就決定了MPPT的輸出變化頻率必須小于鎖相環的輸出變化頻率。

將光伏陣列、Boost升壓變換器、逆變器、MPPT模塊、鎖相環模塊連接起來，通過變壓器接到電網上，就構成了光伏發電并網系統的仿真圖。并網變壓器的作用一是使逆變器電壓升到并網所需電壓等級，二是實現電氣隔離。電路模型如圖10所示。

圖10 系統并網仿真圖

系統輸出的電壓電流波形如圖11所示，可看到輸出呈很好的正弦波形，電壓保持與電網同相、同幅值。仿真過程有意設計為一開始指令電流與電壓不同相，并且讓系統工作在非最大功率點處。由仿真結果可以看到，由于鎖相環的作用，在 0.03s附近電壓電流相位被鎖定，變得同步。而由于最大功率跟蹤技術的作用，電流輸出在0.08s和0.16s處兩次增大，向最大功率點靠近。

圖11 系統并網仿真輸出波形

5 結論

本文用Matlab軟件成功建立了單相光伏發電并網不可調度式系統的仿真模型，模型包括光伏電池部分、升壓變換器部分、PWM逆變器部分、MPPT模塊和鎖相環模塊。其中，兩級逆變器中 DC-DC環節實現了電壓升高和穩壓的雙重作用，DC-AC環節通過電流滯環反饋控制輸出較好的正弦波電流；而確立了變步長擾動觀察法作為最大功率點跟蹤方案，較為有效地緩解了固定步長擾動法本身快速和損耗之間的矛盾；建立了軟件鎖相環的模型，成功實現了電網電壓和電流的鎖相，保證了較高的功率因數。

同時還分析了獨立帶載和并網兩種情況下的控制方案，分析了獨立帶載情況下系統的運行特點及采用的控制方案，用電壓電流雙閉環反饋控制實現了穩定的電壓源輸出；在并網供電仿真中，將系統各部分連接起來，用仿真結果驗證了系統模型的有效性。

[1]左紅梅,王維,超薛晶. 智能電網促光伏產業發展[J].中國電力企業管理,2010(6):58-59.

[2]王眾,趙小妹,王志剛等. 智能電網中的光伏發電系統[J].低壓電器,2011(17):14-16.

[3]李曉剛. 中國光伏產業發展戰略研究[D]. 長春:吉林大學,2007.

[4]崔容強,趙春江,吳達成.并網型太陽能光伏發電系統[M]. 北京:北京化學工業出版社,2007.

[5]趙為. 太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥：合肥工業大學,2005.5.

[6]崔巖,蔡炳煌,李大勇等.太陽能光伏模板仿真模型的研究[J].系統仿真學報,2006(4):829-834.

[7]吳海濤. 光伏并網逆變器及其仿真研究[D].青島：青島大學,2007.

[8]王飛. 單相光伏并網系統的分析與研究[D].合肥：合肥工業大學,2005.

[9]雷珽,艾芊. 光伏并網策略及應用研究[J]. 低壓電器,2010(2):21-26.