光伏系統并網運行仿真研究

顧振宇+付立思+吳碩

摘要：根據光伏發電的原理和數學模型，設計一個由光伏組成的直流微網。光伏發電部分能夠實現變步長最大功率跟蹤，結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性，為光伏發電技術的發展提供理論依據。

關鍵詞：光伏系統；最大功率跟蹤；仿真；直流微網；控制

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發電，如太陽能，風能等。光伏發電技術和產業不僅是當今能源的重要補充，更具備成為未來主要能源來源的潛力。《國家能源發展規劃》規定，2010—2020年重點采用戶用光伏發電系統或建設小型光伏電站，以解決偏遠地區和無電戶的供電問題。目前，國內對光伏并網的研究較多，相關設備越來越先進，相關理論也在不斷完善。介紹光伏發電的原理和數學模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎上描述BOOST電路的工作原理，最后結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數學模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應產生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進行光電轉換。光伏電池的等效模型數學表達式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點電壓、電流；Tc為光伏電池當前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數；β為光伏電池開路的電壓溫度系數。

根據上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網變換器的控制策略

光伏并網變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓撲結構比兩級式少一個DC/DC直流變換環節，并網運行時的控制目標比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運行階段，前后級需要改變調節速度來滿足控制要求，增加了整個系統控制的復雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環節只需進行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調節速度比前級DC/DC快，但其更容易實現。前級最大功率跟蹤的控制結構如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統。BOOST變換電路主要由續流二極管D1、全控開關管T、電感和電容組成。當全控開關導通時，電感開始續能；當全控開關關斷時，電感產生的反電動勢和電源的電壓串聯加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變全控開關T的導通頻率和占空比，實現對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當運行到最大功率點左側時，電壓增加，功率增大；當運行到最大功率點右側時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當采用定步長時，會出現最大功率點附近擾動較大或者系統進入最大功率點附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關系，從而實現最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點，結構簡單且容易實現。

2.2 光伏并網變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關器件，既可以從電網上吸收功率，使系統在整流狀態工作，也可以向電網輸出功率，使系統在有源逆變狀態工作。圖2中的整流器數學模型在PARK變換后的表達式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側濾波電感；R為交流側線路等效阻抗；C為直流側電容；Vdc為直流側電壓；idc為直流側負載電流（工作在整流狀態時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關函數；Sq為解耦后控制無功的開關函數。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側電流反饋環節，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點是交流側電流的動態響應比較慢及系統參數變化給網側電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側電流反應快，控制性能有所提高，但控制系統復雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網，利用公式（6），（7），（8）進行并網濾波器參數的選取和PI參數的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側電容值；fsw為整流器的開關頻率；ia為并網后額定電流的單相值；u為并網交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統并網運行仿真

用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究，仿真參數如下：交流側線電壓380 V；直流側電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統運行狀況如下：0.3 s前，直流電網無負載，光伏電源將最大功率輸送給電網（4 kW）；0.3 s后，直流電網帶直流4 kW直流負載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網從主網吸收電能來滿足直流負載要求。仿真運行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統很好地完成了控制目標。由圖5可知，直流側直流電壓很快進入了設定值，且變化很小。圖6展現了網側相電壓和相電流。系統開始仿真后，網側電流很大，這是由系統需要向直流側電容充電造成的，向電網提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關系；當加入直流負載后，直流微網所提供的電能和負載剛好相等，但網側電流并不為0，這是由設計濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當系統需要向電網吸收功率供給直流負荷時，網側電流和電壓相位關系也很滿意。

4 結論

建立一個由光伏組成的直流微網，利用變步長實現分布式電源的最大功率跟蹤，在并網運行的情況下根據負荷和分布式電源的變化從電網吸收電能或者輸送電能給電網，并且保持較好的直流電壓質量。利用仿真驗證提出的控制目標和策略，為光伏并網研究提供參考。

摘要：根據光伏發電的原理和數學模型，設計一個由光伏組成的直流微網。光伏發電部分能夠實現變步長最大功率跟蹤，結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性，為光伏發電技術的發展提供理論依據。

關鍵詞：光伏系統；最大功率跟蹤；仿真；直流微網；控制

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發電，如太陽能，風能等。光伏發電技術和產業不僅是當今能源的重要補充，更具備成為未來主要能源來源的潛力。《國家能源發展規劃》規定，2010—2020年重點采用戶用光伏發電系統或建設小型光伏電站，以解決偏遠地區和無電戶的供電問題。目前，國內對光伏并網的研究較多，相關設備越來越先進，相關理論也在不斷完善。介紹光伏發電的原理和數學模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎上描述BOOST電路的工作原理，最后結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數學模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應產生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進行光電轉換。光伏電池的等效模型數學表達式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點電壓、電流；Tc為光伏電池當前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數；β為光伏電池開路的電壓溫度系數。

根據上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網變換器的控制策略

光伏并網變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓撲結構比兩級式少一個DC/DC直流變換環節，并網運行時的控制目標比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運行階段，前后級需要改變調節速度來滿足控制要求，增加了整個系統控制的復雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環節只需進行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調節速度比前級DC/DC快，但其更容易實現。前級最大功率跟蹤的控制結構如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統。BOOST變換電路主要由續流二極管D1、全控開關管T、電感和電容組成。當全控開關導通時，電感開始續能；當全控開關關斷時，電感產生的反電動勢和電源的電壓串聯加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變全控開關T的導通頻率和占空比，實現對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當運行到最大功率點左側時，電壓增加，功率增大；當運行到最大功率點右側時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當采用定步長時，會出現最大功率點附近擾動較大或者系統進入最大功率點附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關系，從而實現最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點，結構簡單且容易實現。

2.2 光伏并網變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關器件，既可以從電網上吸收功率，使系統在整流狀態工作，也可以向電網輸出功率，使系統在有源逆變狀態工作。圖2中的整流器數學模型在PARK變換后的表達式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側濾波電感；R為交流側線路等效阻抗；C為直流側電容；Vdc為直流側電壓；idc為直流側負載電流（工作在整流狀態時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關函數；Sq為解耦后控制無功的開關函數。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側電流反饋環節，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點是交流側電流的動態響應比較慢及系統參數變化給網側電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側電流反應快，控制性能有所提高，但控制系統復雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網，利用公式（6），（7），（8）進行并網濾波器參數的選取和PI參數的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側電容值；fsw為整流器的開關頻率；ia為并網后額定電流的單相值；u為并網交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統并網運行仿真

用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究，仿真參數如下：交流側線電壓380 V；直流側電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統運行狀況如下：0.3 s前，直流電網無負載，光伏電源將最大功率輸送給電網（4 kW）；0.3 s后，直流電網帶直流4 kW直流負載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網從主網吸收電能來滿足直流負載要求。仿真運行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統很好地完成了控制目標。由圖5可知，直流側直流電壓很快進入了設定值，且變化很小。圖6展現了網側相電壓和相電流。系統開始仿真后，網側電流很大，這是由系統需要向直流側電容充電造成的，向電網提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關系；當加入直流負載后，直流微網所提供的電能和負載剛好相等，但網側電流并不為0，這是由設計濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當系統需要向電網吸收功率供給直流負荷時，網側電流和電壓相位關系也很滿意。

4 結論

建立一個由光伏組成的直流微網，利用變步長實現分布式電源的最大功率跟蹤，在并網運行的情況下根據負荷和分布式電源的變化從電網吸收電能或者輸送電能給電網，并且保持較好的直流電壓質量。利用仿真驗證提出的控制目標和策略，為光伏并網研究提供參考。

摘要：根據光伏發電的原理和數學模型，設計一個由光伏組成的直流微網。光伏發電部分能夠實現變步長最大功率跟蹤，結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性，為光伏發電技術的發展提供理論依據。

關鍵詞：光伏系統；最大功率跟蹤；仿真；直流微網；控制

中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發電，如太陽能，風能等。光伏發電技術和產業不僅是當今能源的重要補充，更具備成為未來主要能源來源的潛力。《國家能源發展規劃》規定，2010—2020年重點采用戶用光伏發電系統或建設小型光伏電站，以解決偏遠地區和無電戶的供電問題。目前，國內對光伏并網的研究較多，相關設備越來越先進，相關理論也在不斷完善。介紹光伏發電的原理和數學模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎上描述BOOST電路的工作原理，最后結合雙向整流器提出G光伏直流微網并網的控制策略，并利用MATLAB仿真驗證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數學模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應產生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進行光電轉換。光伏電池的等效模型數學表達式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點電壓、電流；Tc為光伏電池當前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數；β為光伏電池開路的電壓溫度系數。

根據上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網變換器的控制策略

光伏并網變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓撲結構比兩級式少一個DC/DC直流變換環節，并網運行時的控制目標比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運行階段，前后級需要改變調節速度來滿足控制要求，增加了整個系統控制的復雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環節只需進行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調節速度比前級DC/DC快，但其更容易實現。前級最大功率跟蹤的控制結構如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統。BOOST變換電路主要由續流二極管D1、全控開關管T、電感和電容組成。當全控開關導通時，電感開始續能；當全控開關關斷時，電感產生的反電動勢和電源的電壓串聯加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變全控開關T的導通頻率和占空比，實現對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當運行到最大功率點左側時，電壓增加，功率增大；當運行到最大功率點右側時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當采用定步長時，會出現最大功率點附近擾動較大或者系統進入最大功率點附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關系，從而實現最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點，結構簡單且容易實現。

2.2 光伏并網變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關器件，既可以從電網上吸收功率，使系統在整流狀態工作，也可以向電網輸出功率，使系統在有源逆變狀態工作。圖2中的整流器數學模型在PARK變換后的表達式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側濾波電感；R為交流側線路等效阻抗；C為直流側電容；Vdc為直流側電壓；idc為直流側負載電流（工作在整流狀態時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關函數；Sq為解耦后控制無功的開關函數。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側電流反饋環節，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點是交流側電流的動態響應比較慢及系統參數變化給網側電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側電流反應快，控制性能有所提高，但控制系統復雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網，利用公式（6），（7），（8）進行并網濾波器參數的選取和PI參數的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側電容值；fsw為整流器的開關頻率；ia為并網后額定電流的單相值；u為并網交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統并網運行仿真

用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究，仿真參數如下：交流側線電壓380 V；直流側電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統運行狀況如下：0.3 s前，直流電網無負載，光伏電源將最大功率輸送給電網（4 kW）；0.3 s后，直流電網帶直流4 kW直流負載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網從主網吸收電能來滿足直流負載要求。仿真運行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統很好地完成了控制目標。由圖5可知，直流側直流電壓很快進入了設定值，且變化很小。圖6展現了網側相電壓和相電流。系統開始仿真后，網側電流很大，這是由系統需要向直流側電容充電造成的，向電網提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關系；當加入直流負載后，直流微網所提供的電能和負載剛好相等，但網側電流并不為0，這是由設計濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當系統需要向電網吸收功率供給直流負荷時，網側電流和電壓相位關系也很滿意。

4 結論

建立一個由光伏組成的直流微網，利用變步長實現分布式電源的最大功率跟蹤，在并網運行的情況下根據負荷和分布式電源的變化從電網吸收電能或者輸送電能給電網，并且保持較好的直流電壓質量。利用仿真驗證提出的控制目標和策略，為光伏并網研究提供參考。