單相光伏并網(wǎng)運行控制仿真

李興，劉正英

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050)

單相光伏并網(wǎng)運行控制仿真

李興，劉正英

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州 730050)

對單相光伏并網(wǎng)的運行控制進行了仿真研究。給出了單相光伏并網(wǎng)的主電路拓撲結構，對光伏電池的特性進行了仿真研究。通過Boost升壓斬波電路和改進的擾動觀察法實現(xiàn)了光伏陣列輸出的最大功率跟蹤控制。在光伏并網(wǎng)過程中，并網(wǎng)逆變器采用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略來實現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)。仿真結果表明，在不同的外界條件下，系統(tǒng)均能實現(xiàn)并網(wǎng)。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng);光伏特性;最大功率跟蹤;并網(wǎng)控制

近年來，由于能源危機以及煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)資源造成的環(huán)境污染的加劇，風能、太陽能、地熱能等可再生能源越來越受到人們的廣泛關注。太陽能是取之不盡、用之不竭的清潔能源。我國西北及華北地區(qū)有豐富的太陽能資源。如何很好地利用這些資源是當前面臨的一個關鍵問題。太陽能光伏發(fā)電是新能源利用的重要方面。

光伏發(fā)電系統(tǒng)除了滿足自身重要負荷的用電需求外，需要考慮如何將所發(fā)的多余電能輸送給其他負荷。太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電很好地解決了這一問題。當太陽能充足時，光伏發(fā)電系統(tǒng)將多余的電能輸送給大電網(wǎng);當受氣候天氣因素的影響使得光伏發(fā)電系統(tǒng)不能滿足自身負荷的需求時，由大電網(wǎng)補足缺額。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏陣列輸出的直流電通過各種電力電子設備，采用相應的控制策略，使得并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，并通過接口逆變器實現(xiàn)與大電網(wǎng)的連接［1］。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結構主要包括光伏陣列、最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)和并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)3部分。

1 系統(tǒng)主電路結構

單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路拓撲結構如圖1所示。其中:Boost電路主要實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制;單相逆變橋主要完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行控制。

如圖1所示，直流母線電容C1主要起到能量緩沖的作用，其上的電壓U1作為兩級電路能量平衡的參考。當U1升高時說明前一級電路的輸入功率大于后一級電路的輸出功率，系統(tǒng)需要增加并網(wǎng)電流來平衡輸入輸出功率;反之則相反。電容C1實現(xiàn)升壓斬波和逆變兩級電路的解耦控制。

圖1 系統(tǒng)主電路結構

2 光伏電池的特性分析

用恒流源并聯(lián)二極管的動態(tài)分析電路來模擬具有光伏陣列輸出特性的等效電路［2］。

流過負載的電流為［2］

式(1)中:I0為反向飽和電流，表示在黑暗中通過P－N結的少數(shù)載流子的空穴電流和電子電流的代數(shù)和;U為等效二極管的端電壓;q為電子電量; T為太陽電池板的絕對溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);A為二極管曲線因子，取值范圍為1～2。

當有np和ns個光伏電池板分別并入和串入光伏陣列模塊中時，有

光伏電池等效模型見圖2。

圖2 光伏電池等效模型

3 系統(tǒng)的控制策略

3.1 光伏陣列的最大功率跟蹤控制

小功率的光伏組件輸出電壓較低。本文通過Boost斬波電路來實現(xiàn)DC/DC變換。Boost起到升壓的作用，將小功率光伏組件輸出的低電壓轉變?yōu)槟軌驖M足要求的直流電壓。Boost電路的另一重要用途是實現(xiàn)MPPT控制。通過改變功率開關器件MOSFET的開關控制信號的占空比D來調整和控制光伏電池工作的最大功率點，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。Boost電路的拓撲結構如圖3所示。

圖3 Boost電路拓撲結構

根據(jù)Boost電路的基本原理，可知其輸入輸出電壓關系為

假設Boost電路元件為理想器件，變換器無功率損失，則有:

從式(5)可以看出，當R固定不變時，開關占空比D越大，Boost電路的輸入阻抗越小;反之則相反。通過調節(jié)D可以調節(jié)等效輸入阻抗。由于光照、溫度等環(huán)境因素的不同，光伏電池內部的等效電阻是不斷變化的。可用一可變電阻R0來等效光伏電池的內部電阻。假設用Pout表示系統(tǒng)的輸出功率，則有

在一定的環(huán)境條件下Uin是固定不變的。通過以上分析可知:當輸入電阻Rin等于負載電阻R時，系統(tǒng)輸出功率最大，即Pmax=U2in4R0，從而可通過調節(jié)占空比D使系統(tǒng)的輸出功率最大。

最大功率跟蹤(MPPT)的實現(xiàn)是一個自尋優(yōu)的過程。常用于MPPT的方法有很多，本文采用改進的擾動觀察法(P＆O)來實現(xiàn)［3］。該方法通過改變Boost的輸入電壓，移動操作點向最大功率點靠近，同時計算出參考電壓Vref用于產(chǎn)生PWM控制信號。計算功率P(k)=V(k)×I(k)。比較k點與k－1點功率值的變化，進而決定下一步功率變化的方向。如果功率繼續(xù)呈增加的趨勢，則繼續(xù)朝原擾動方向改變電壓，反之則調節(jié)電壓改變的方向。在擾動剛開始時，可適當采用較長的步長;在靠近最大功率點時，可減小擾動步長(其控制框圖如圖4所示)，直至找到最大功率區(qū)間，即功率不再變化為止。

圖5為光伏陣列最大功率跟蹤控制框圖。首先檢測光伏陣列輸出電壓Uin和輸出電流iL，計算得到輸出功率。經(jīng)MPPT控制算法導出給定的電壓Uref后，與實測電壓Uin比較，其電壓偏差送至PWM發(fā)生器，產(chǎn)生可以控制功率管的PWM信號，控制Boost電路的占空比，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。

圖4 改進擾動觀察法的控制流程

圖5 MPPT控制框圖

3.2 系統(tǒng)的并網(wǎng)運行控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行主要依靠對并網(wǎng)逆變器的控制。并網(wǎng)逆變器的控制主要分為電壓和電流兩種控制方式。大電網(wǎng)相當于容量趨于∞的交流電壓源。當采用電壓控制方式時，光伏陣列與大電網(wǎng)相當于容量一大一小兩個電壓源的并聯(lián)，當兩電源之間存在電位差時，必將有環(huán)流的產(chǎn)生，增加了控制的難度;當采用電流控制方式時，只需并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相即可實現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)，控制方式簡單易行，應用較普遍［4］。

光伏并網(wǎng)逆變器在實現(xiàn)與大電網(wǎng)并網(wǎng)的過程中，主要受光照強度、環(huán)境溫度等外界因素對光伏陣列輸出功率的影響和電網(wǎng)側負荷投切等隨機擾動造成的電網(wǎng)電壓波動的影響。大電網(wǎng)相當于無窮大系統(tǒng)，負荷投切等的擾動對電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位的影響微乎其微。光伏并網(wǎng)逆變器的設計可忽略電網(wǎng)側電壓波動的影響，主要考慮隨機因素引起的光伏陣列輸出功率不穩(wěn)定這一擾動因素的影響［5－6］。

單相光伏并網(wǎng)控制模塊主要由指令電流合成和PI控制器兩個環(huán)節(jié)組成。

1)指令電流合成

指令電流主要包括2個要素，幅值和頻率。iref的幅值主要由最大功率跟蹤控制求得，即保持=Im，Im為光伏陣列實現(xiàn)最大功率輸出時的工作電流。為使逆變器的輸出電流與大電網(wǎng)電壓同頻率、同相位，可通過PLL實現(xiàn)。取電網(wǎng)頻率為50 Hz，則iref=Imsin(100πt)。

如圖6所示，VPV為光伏陣列的輸出電壓，IPV為光伏陣列的輸出電流，Ug為電網(wǎng)電壓的有效值。忽略電路中的損耗，PPV除以電網(wǎng)電壓有效值Ug，即可得到參考控制電流的有效值Iref，再通過PLL即可得到逆變器輸出電流參考信號iref。

圖6 指令電流合成框圖

PI控制框圖如圖7所示。

圖7 PI控制框圖

3)系統(tǒng)控制方式

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方式如圖8所示。在并網(wǎng)逆變過程中采用直流電壓外環(huán)、交流電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。系統(tǒng)檢測直流電壓的實際值Udc與給定電壓相比較，偏差經(jīng)過PI調節(jié)后得到Iref，再經(jīng)過鎖相環(huán)節(jié)得到電流內環(huán)并網(wǎng)電流的給定值iref。與實際檢測的逆變器輸出電流igrid相比較，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，最后通過PWM發(fā)生器輸出SPWM信號，控制逆變器實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

圖8 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制方式

4 仿真研究

本文采用的光伏電池的型號為STP0950S－36，其在標準測試下的參數(shù)如表1［2］所示。

表1 光伏陣列參數(shù)表

通過Matlab搭建系統(tǒng)模型，并進行相關的仿真分析。

4.1 光伏電池輸出功率建模仿真

結合本文的分析，分別完成光伏電池、Boost升壓斬波電路、MPPT以及PWM脈寬調制等子系統(tǒng)的建模，并進行相應的仿真分析。之后對各個子系統(tǒng)進行封裝，搭建整個系統(tǒng)的仿真模型，得出相應的波形。

初始電池溫度為25℃，光照強度為600 W/m2，0.1 s時光照強度增加到800 W/m2，0.2 s上升到1 000 W/m2，溫度保持不變。系統(tǒng)的仿真波形如圖9所示。

圖9 不同光照強度下光伏電池輸出功率仿真波形

光照強度為1 000 W/m2保持不變，初始電池溫度為25℃，0.1 s時上升到35℃，0.2 s時下降到30℃。光伏電池的輸出功率仿真波形如圖10所示。

圖10 不同溫度下光伏電池輸出功率仿真波形

由圖10可知:溫度上升時，光伏電池輸出的最大功率減小;溫度下降時，光伏電池輸出的最大功率增加。同時，電池溫度發(fā)生變化時，系統(tǒng)仍然能實現(xiàn)最大功率跟蹤。

4.2 并網(wǎng)仿真

搭建單相光伏并網(wǎng)仿真模型。當電池溫度為25℃，光照強度為1 000 W/m2時，電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流的仿真波形如圖11所示。

通過圖11的仿真波形可以看出:逆變器輸出電流通過短暫的調整，在0.02 s以后，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓即可達到同頻同相。

圖11 系統(tǒng)電壓與并網(wǎng)電流仿真波形

5 結束語

本文主要研究單相光伏并網(wǎng)運行控制。分析了光伏電池的數(shù)學模型;采用Boost升壓斬波電路實現(xiàn)了小功率光伏組件輸出低電壓向符合要求電壓的轉換以及MPPT控制。改進的擾動觀察法更快速地實現(xiàn)了光伏陣列工作點向最大功率點的靠近。通過研究結果可知:在不同的外界條件下，系統(tǒng)始終能夠快速、穩(wěn)定地實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤目標，快速性、動態(tài)性良好。采用電壓、電流雙環(huán)控制，實現(xiàn)了并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，保證了單位功率因數(shù)并網(wǎng)，提高了并網(wǎng)效率。

［1］穆桂霞，郝瑞祥.新型單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制［J］.電力電子技術，2011，45(9):69－71.

［2］王長江.基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學模型［J］.電力科學與工程，2009，25(4):11－14.

［3］趙為.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學，2003.

［4］禹華軍，潘俊民.光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤的仿真分析［J］.計算機仿真，2005，22(6):248－252.

［5］余運江.單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究［D］.杭州:浙江大學，2008.

［6］魏德冰.單相光伏并網(wǎng)逆變器的研究［D］.保定:華北電力大學，2011.

(責任編輯 楊黎麗)

Simulation of Operation Control of Single-Phase Photovoltaic Grid-Connected Control

LI Xing，LIU Zheng－ying
(College of Electrical Engineering and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

In view of the wide application of PV grid－connected power generation in recent years，the operation control of the single－phase grid－connected photovoltaic system is studied related.The main circuit topology of single－phase photovoltaic grid－connected system is given.Characteristics of photovoltaic cells are relevant simulation analysis，through the Boost chopper circuit and the perturbation and observation method to achieve the maximum power of photovoltaic cell output tracking control.In the process of photovoltaic grid－connected，in the control strategy of voltage and current double closedloop，the inverter realizes system integration.Finally，through the simulation in different environmental conditions，the correctness of the system can be achieved.

photovoltaic grid－connected system;photovoltaic properties;MPPT;grid－connected control

TM464

A

1674－8425(2014)05－0115－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.022

2013－11－25

甘肅省科技支撐計劃項目(1204GKCA003)

李興(1990—)，男，甘肅人，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電方面的研究。

李興，劉正英.單相光伏并網(wǎng)運行控制仿真［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(5):115－119.

format:LI Xing，LIU Zheng－ying.Simulation of Operation Control of Single－Phase Photovoltaic Grid－Connected Control［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):115－119.