光伏并網發電系統的虛擬平臺設計

郭天勇，陳 晨

（南開大學 計算機與控制工程學院，天津 300071）

作為一種可再生能源，太陽能的發展及應用遠沒有達到預期的目標，針對光伏電站在實際研究中受到外界條件的制約，基于軟硬件的光伏電池模型研究已經比較成熟，最大功率點跟蹤算法也是研究的熱點，主要集中在擾動觀察法[1-2]、電導增量法[3-4]及各種改進的算法[5-6]，目的是降低輸出功率在峰值處的波動及提高跟蹤的響應速度。

本文基于Matlab/Simulink搭建了光伏并網發電系統的仿真模型，并利用GUI建立可視化界面，利用該模型可方便地進行最大功率點跟蹤、逆變控制系統等算法的驗證。

1 光伏并網發電系統結構

圖1 系統電路結構Fig.1 Circuit diagram of system

該系統主要包括：光伏電池模型、DC/DC拓撲、逆變電路和控制系統，其電路結構如圖1所示，其中，DC/DC采用的是SEPIC拓撲，逆變電路采用單相H橋結構，控制系統采用的是DSP，并網端有K1和K22個開關，主要是保證關鍵負載R2的不間斷供電。

2 光伏電池模型

光伏電池主要是利用半導體的光生伏特效應將太陽能直接轉換成電能，它的等效電路如圖2所示[7]。

圖2 光伏電池等效模型Fig.2 PV cell equivalent model

其中，Iph為光生電流；Id為二極管結電流；Cj為結電容（可忽略）；Rsh為并聯電阻，它的阻值數量級為103Ω；RS為串聯電阻，阻值小于1 Ω；I為電池模型輸出電流；U為電池模型輸出電壓。

利用該電路進行分析得到的電流解析式，常用在理論分析中，而在實際工程電路中，通常對其進行簡化，在考慮太陽日照強度和太陽溫度影響時[8-9]，工程中常用的光伏陣列I-U方程為

其中，

式中：α為參考日照下電流變化溫度系數，（A/℃）；β為參考日照下電壓變化溫度系數，（V/℃）；R為太陽能電池上的日照強度；Rref為日照強度參考值，通常為1000 W/m2；Tc為太陽能電池溫度；Tref為溫度參考值，通常為25℃；T為環境溫度；tc為太陽能電池溫度系數。

結合光伏電池實際參數及式（1）和式（2），可建立基于Matlab的光伏電池模型，其外部封裝如圖3所示，該模型已廣泛應用在光伏電池的理論研究中。

圖3 光伏電池封裝模型Fig.3 Packaging model of solar cell

3 DC/DC拓撲及最大功率點跟蹤

鑒于SEPIC拓撲的特點，本文利用Sim Power Systems庫中的分離元件搭建了該電路拓撲，具體可參考圖1。該拓撲根據占空比的不同可實現升降壓，擴大了光伏最大功率點跟蹤的電壓調節范圍。

圖4是利用圖3所示的光伏電池模型在不同條件下得到的I-U和P-U特性曲線，圖4（a）是一個雙縱坐標的輸出曲線，其中上邊的曲線對應左側的縱坐標是電流，下邊的曲線對應右側的縱坐標是功率，橫坐標是電壓。從中可以看出，外界條件變化時，電流與電壓均發生變化，變化幅度較大的是電壓信號。圖4（b）是不同外界條件及條件變化時的P-U曲線，由于輸出電壓不會突變，當外界條件穩定的時候，即輸出功率在一條曲線上移動時，最大功率點跟蹤比較容易。而當外界條件發生變化，即輸出功率不在一條曲線上變化時，最大功率點跟蹤相對要復雜些，而在實際情況中，此種情況占大多數。此時變化如圖4（b）所示，在電壓保持不變時，輸出功率從一條曲線跳轉到另一條曲線上。

圖4 不同條件下的I-U和P-U特性曲線Fig.4 I-U and P-U characteristics curves in different conditions

本文將二分法引入到擾動觀察法中，與傳統擾動觀察法的主要區別在于其擾動的步長是可以改變的，此種方式可以有效地提高最大功率跟蹤的響應速度并降低擾動量。假定初始步長設為Δd，該值要比傳統的步長稍大些，目的是為了快速找到功率變化的轉折點，當第一次出現功率變化量改變方向時，將步長變為初始的一半即Δd/2，再繼續擾動，為了防止頻繁的擾動，設置了一個誤差允許范圍，當功率變化量落在該范圍時，停止擾動，系統正常運行；當功率變化量突然變大時，再次將步長恢復到初始值Δd，并繼續擾動以找到新的最大功率輸出點。具體流程如圖5所示。

圖5 變步長擾動觀察法Fig.5 Variable step perturbation and observation method

圖中：Δmin為設置的功率變化最小值；Δd為擾動步長，它對應的電壓變化量為ΔU2，Δd/2對應的電壓變化量為ΔU1，其中d是開關管的導通占空比，結合本文的實際電路，主要是通過控制開關管SPU實現光伏陣列的最大功率點跟蹤。

4 逆變電路及控制策略

逆變電路采用H橋結構，如圖1所示，需要注意的是要防止同一橋臂上的2個開關管同時導通，即預防開關管因過流而損壞，此時需要加入死區時間，開關管通常采用IGBT，其驅動采用SVPWM信號[10]。

為了保證輸出電壓的幅值和頻率滿足并網需求，采用雙閉環的控制策略，系統并網運行時，內部采用并網電流環，其相位與電網電壓相位同步，而其幅度則由外環決定；外部采用母線電壓環，主要作用是獲得穩定的直流母線電壓，保證系統的可靠運行。而當系統獨立運行時，即系統輸出不滿足并網條件或者電網停止供電時，只要輸出電壓滿足負載需求即可，不需考慮與電網相位同步。

5 虛擬平臺的搭建

利用Matlab GUI搭建了光伏并網發電系統的虛擬平臺，利用Simulink進行模型的搭建，系統框架如圖6所示。

圖6 光伏并網發電框圖Fig.6 Block diagram of PU grid-connected generation

Matlab仿真模型如圖7所示，最左側的是前面提到的光伏電池模型，通過編程可以在某個時刻改變外界條件，使其輸出功率發生變化，控制器根據檢測到的信號利用基于二分法的擾動觀察法進行最大功率點跟蹤，實驗結果比較理想，能快速有效地實現最大功率點跟蹤，如圖8所示，中間的變化曲線是最大功率跟蹤仿真曲線。

6 結語

利用Matlab GUI軟件搭建了光伏發電虛擬平臺，結合天氣預報可利用編程實現外界條件的設定，同時結合實際的外界環境監測可及時地進行功率輸出預測，從而進行預判斷，同時利用該模型還可以進行并網控制算法的研究，為后續研究奠定了基礎。

圖7 光伏并網發電模型Fig.7 Model of PU grid-connected generation

圖8 最大功率跟蹤仿真曲線Fig.8 Simulation curves of maximum power point tracking

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