基于自適應占空比擾動法的光伏并網系統仿真分析研究

鄭俊觀 王碩禾

（石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院 河北石家莊 050043）

基于自適應占空比擾動法的光伏并網系統仿真分析研究

鄭俊觀 王碩禾

（石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院 河北石家莊 050043）

由于光伏組件輸出特性具有明顯的非線性，研究中需要根據光伏組件的工程模型建立其通用仿真模型。本文在對經典占空比擾動法進行深入分析的基礎上，提出了一種自適應占空比擾動法；同時，利用雙閉環控制方法對光伏系統的逆變進行控制；最后，通過對光伏陣列、自適應占空比擾動算法和逆變進行仿真，仿真分析結果表明，所建立的光伏陣列模型能夠較好的模擬光伏陣列的特性；所提出自適應占空比擾動法，在一定程度上彌補了擾動法的不足；逆變輸出的電流與電網的電壓同頻同相，達到了并網的要求。

光伏并網系統 光伏陣列 自適應占空比擾動法 雙閉環控制

隨著能源短缺和環境問題日益嚴峻，新能源的研究和開發受到了各國的廣泛關注。在新能源發電中，光伏發電因具有清潔、零污染、無噪聲、適用地域廣等特點備受青睞[1]。光伏組件是由多個光伏電池串并聯而成，分析和建模具有一定困難，同時，如何根據光伏組件廠家提供的在標準條件下光伏組件4個特性參數（Uoc、Isc、Im、Um）來建立仿真模型，是光伏組件建模需要重要思考的問題之一[2]。為了實現光伏組件輸出功率最大，需要采用最大功率跟蹤技術。目前比較常用MPPT算法有恒定電壓法、擾動觀察法和電導增量法，每種算法都有各自的優缺點[2-3]，另外，為了提高系統的魯棒性，一些學者把智能算法引進到了MPPT算法中，比如人工神經網絡控制、模糊控制等[4]。為了把光伏組件逆變成與電網電壓同頻同相的高質量正弦波的交流電流，通常對逆變器輸出側的電流進行控制，控制方法有雙閉環控制、重復控制、滑?？刂?、無差拍控制等，其中最常用的是雙閉環控制[5]，由于光伏逆變器與有源濾波器在結構上有許多相似之處，一些學者提出了光伏并網與有源濾波統一控制的策略[6]。

本文分別從改進MPPT算法和并網控制策略2個方面進行研究。在光伏組件仿真模型的基礎上，重點分析了占空比擾動法，針對該算法的不足，在其基礎上提出了用可變步長kdU/dP來代替定步長的方案，其中，K為常數，通過仿真證明了改進的MPPT算法能過彌補擾動法的不足。光伏的逆變控制采用改進的雙閉環控制，外環為電壓環，內環為電流環，為了消除電網電壓波動造成的損耗，引入其電壓的前饋環節。在上述方案下，通過搭建光伏并網系統仿真模型，仿真結果證明了該控制方法能夠達到并網要求。

1 主電路拓撲結構

本文中光伏并網系統主電路的拓撲結構為兩級式，前級DC/DC環節完成升壓和最大功率點跟蹤，后級DC/AC環節完成逆變，使輸出的電流與電網的電壓同頻同相，功率因數為1。將最大功率點跟蹤和逆變器的控制分開，實現控制相對容易，效率較高。

圖1為兩級式拓撲結構主電路圖，該電路由光伏電池、DC/DC升壓環節、DC/AC逆變環節及電感濾波器構成。其中，Boost升壓電路與其他DC/DC電路相比體積小、重量輕、效率高、結構簡單和電壓調節范圍比較寬等特點，所以前級DC/DC環節采用Boost升壓電路，同時為了避免光伏電池能量的浪費，要把Boost電路設計在連續工作模式；后級DC/AC環節采用單相全橋式逆變電路，通過對4個功率開關管進行適當控制，使逆變輸出的電流與電網的電壓同頻同相；最后逆變輸出的電流通過電感進行濾波后并入電網。

圖1 主電路拓撲結構

2 光伏陣列建模

光伏電池是利用光生伏特效應將光能轉變為電能的器件，光伏電池輸出具有明顯的非線性，易受到光照強度、環境溫度的影響，工作機理相當于一個半導體發光二極管。單個光伏電池輸出的功率、電壓和電流都很小，實際應用通過多個光伏電池進行串并聯封裝在一起組成能夠輸出大功率的光伏組件。光伏電池模型主要分為物理模型和工程模型[7]，物理模型能夠較為準確的反映光伏電池的物理特性，仿真精度高，但是，該方法復雜，需要光伏電池的內部參數；工程模型是基于物理模型基礎上進行簡化，利用光伏組件伏安外特性法，對開路電壓、短路電流以及擬合曲線系數經行修正，使模型特性與實際光伏組件在不同光照強度和溫度下特性相似，模型簡單，與光伏產品提供參數對應，在研究中被廣泛地使用。

2.1 工程模型

根據電子學理論知識，光伏電池典型等效電路形式為單二極管形式[8]如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

從圖2中可以得到光伏電池的輸出特性方程為：

式中：Iph為光伏電池內部光生電流，I0為光伏電池內部等效二極管的PN結反向飽和電流，q為電子電荷，K為玻爾茲曼常數，T為光伏電池所處的絕對溫度，A為光伏電池內部PN結的曲線常數，Rsh為光伏電池內部的等效旁路電阻，Rs為光伏電池內部的等效串聯電阻。

由急診醫師對出現嚴重多發傷患者實施床旁超聲評估，部位包括脾腎隱窩，左肺底，右肺底，Morison陷窩，Douglas窩，雙側胸腔和子宮陷窩。CT結果以胸腹腔出現積液為陽性，超聲檢查以游離液體深度大于2mm為陽性[2]，醫院還要對所有接受檢查的患者隨訪3天。

公式（1）能夠較好的表示了光伏電池內部基本原理，被廣泛用于光伏電池的原理分析中。但是，式（1）中某些參數與外界環境因素有關，難以確定，不適合用于工程。同時，與光伏組件制造廠家提供的光伏組件的參數不同。

在式（1）基礎上，文獻[8]式（1）進行簡化處理，推導出了光伏組件工程數學模型輸出特性方程：

當外界環境發生變化時，通過直接對電池的4個性能參數進行修正，將不同溫度及光照條件下電池參數變化曲線與環境變化趨勢進行擬合。新的條件下光伏電池4個性能參數計算公式[8-10]如式（3）所示：

式中，ΔS=S/Sref-1，ΔT=T-Tref，Sref=1000W/m2、Tref=25℃為標準條件下光照強度和參考溫度；a為電流溫度系數，取值為0.0025/℃，c為電壓溫度系數，取值0.00288/℃；e為自然對數的底數；b=0.5;

根據式（2）和式（3）可以計算出任意光照強度和溫度下光伏組件的輸出特性。該方法不需要物理模型中復雜的參數，簡便靈活，適合工程應用。

在光伏陣列中，若各個光伏組件特性相同時，由NS×NP個光伏組件構成的光伏陣列和單個光伏組件之間的關系如式（4）所示：

式中：U、I、P分別為單個光伏組件的輸出電壓、電流和功率，Ua、Ia、Pa分別為光伏陣列的輸出電壓、電流和功率。

2.2 輸出特性曲線研究

本文的光伏組件使用的是由山東博泰公司生產的BTSM-180M型號，在標準測試條件下的參數如表1所示：

表1 光伏組件的參數

圖3 不同溫度下（S=1000w/m2）光伏電池特性曲線

圖4 不同光照強度下（t=25℃）光伏電池特性曲線

3 最大功率點跟蹤控制

光伏陣列輸出特性易受到光照強度和溫度的影響，在任意光照強度和溫度下都存在一個特定的最大功率輸出點。為了有效利用光伏陣列，使它發出更多的電量、輸出最大的功率，因此需要最大功率點跟蹤來實現光伏陣列的輸出功率最大。

3.1 自適應占空比擾動法

占空比擾動法是根據電池工作在每個周期內，通過增大或減小輸出占空比來改變輸出功率，實現功率的尋優，擾動法步驟少，需要采樣的數值少，實現起來比較簡單。然而，該算法也存在著不足，擾動法只能在最大功率點附近來回擾動，存在振蕩損耗。若擾動步長變小，可以減小振蕩，但導致跟蹤速度變慢，跟蹤時間變長；若擾動步長變大，可以增大跟蹤速度，使跟蹤時間變短，但導致振蕩變大，跟蹤精度降低且損失功率增大；當外界環境發生變化時，擾動法可能會出現誤判現象[14]。

為了克服占空比擾動法的缺陷，比如動態性能和穩態性能很難兩者兼顧等[11]。本文提出了一種自適應占空比擾動法的算法。其控制思想與相比傳統的占空比擾動法不同之處在于將擾動步長定步長變為自適應步長，本文中采用自適應步長控制算法如式（5）所示。

其中K為比例系數。

根據公式P=UI，由光伏陣列最大功率點處，dP/dI=0，可以推導出公式（6）[12]。

圖5 占空比擾動法流程圖

根據光伏陣列的P-U特性曲線，從電壓為0到最大功率點電壓附近左側時，該段曲線可以近似認為是一條斜率為正的直線；從最大功率點電壓附近右側到最大電壓值時，該段曲線可以近似認為是一條斜率為負的直線；在最大功率點附近時，兩次采樣點間曲線斜率的絕對值小于上述曲線斜率絕對值，從而實現了自適應步長，即遠離最大功率點時，擾動步長較大，在最大功率點附近時，擾動步長較小，實現了在增加跟蹤速度的同時增加了跟蹤精度。當光伏陣列滿足公式（6）時，表明此時光伏陣列已工作在最大功率點處且Boost電路中功率器件的占空比不再發生變化，從而該方法消除了光伏陣列在最大功率點的振蕩現象，該MPPT算法流程圖如圖5所示。圖中ΔD=K×|ΔP/ΔU|為DC/DC環節Boost電路中功率器件的占空比。

3.2 仿真分析

為了驗證自適應占空比擾動法算法，基于Boost電路搭建其仿真模型，仿真時間為2秒，環境溫度25℃，初始光照強度為500w/m2，1秒時光照強度變為1000w/m2，1.5秒時光照強度變成1500w/m2，其仿真模型輸出的功率的波形圖如圖6所示。

從圖6中可知，光照強度發生變化時，該算法仍能實現MPPT功能，在一定程度上增加了尋優的速度，同時，功率波動非常小。該算法能準確、穩定和快速實現最大功率點跟蹤。

圖6 自適應占空比算法的仿真結果

4 逆變控制

光伏并網系統中逆變的任務是跟蹤電網電壓，逆變成與電網電壓同頻同相的高質量正弦波的交流電流[13]。

4.1 雙閉環控制

圖7 雙閉環控制框圖

本文采用雙閉環SPWM控制策略進行并網控制。外環為電壓環，目的是為了控制并網逆變器直流輸入端電壓穩定；內環為電流環，目的是為了控制并網逆變器的輸出電流與電網電壓同頻同相，輸送到電網的功率因數近似為1[14]。首先電壓環由直流側基準電壓Udref與其實際電壓Udc比較，得到兩者差值在PI調節器作用下輸出的幅值乘以表示電網電壓正弦信號后，得到了電流環的電流指令信號I*與實際電流值I0作差，經過PI調節器后得到電壓信號，為了消除電網電壓波動引起損耗，引入了其電壓的前饋信號Uw，這兩個的電壓值作差后再與三角波進行調制，得到所需要的SPWM波，其控制框圖如圖7所示。

4.2 仿真分析

基于上述方案，搭建系統仿真模型。在標準條件下，光伏陣列輸出的電壓經升壓后直流母線電壓為350V左右，逆變后與220V/50Hz的電網電壓進行并網。仿真結果如圖8所示。圖中為電網電壓波形和逆變器輸出的電流波形，從圖中可知,該逆變控制方法可以快速準確的實現,逆變器輸出的電流與電網電壓同頻同相的跟蹤，從圖9中可知并網電流THD含量小于5%. 達到并網的要求。

圖8 并網電流與電網電壓波形

圖9 并網電流FFT分析結果

5 結論

本文研究了單相兩級式光伏并網系統，對系統中的光伏陣列輸出特性、最大功率點跟蹤技術和并網控制策略進行了仿真分析研究，得出以下結論：

（1）根據光伏電池單二極管形式數學模型進行簡化推導得到了光伏組件工程模型，在此基礎上，建立光伏陣列的通用仿真模型，仿真結果表明該模型能夠正確反映光伏陣列在任意光照強度和溫度下的輸出特性，同時，也證明了光伏組件的工程數學模型能過正確的反映出光伏組件的輸出特性。

（2）在對占空比擾動法的工作原理進行詳細分析的基礎上，根據該算法的跟蹤速度和跟蹤精度很難兩者兼顧的不足，提出了一種自適應占空比擾動法，該算法能夠彌補占空比擾動法的不足，既能提高精度又能提高速度，使光伏電池穩定、快速及準確的工作在最大功率點處。

（3）在雙閉環控制中引入電網電壓的前饋補償控制，作為光伏系統的并網控制策略，通過搭建光伏并網系統的仿真模型，結果表明逆變器輸出的電流與電網電壓同頻同相的跟蹤，達到了預期的要求。

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Research on the Simulation Analysis of Photovoltaic Power Grid-connected System Based on Improved P&Q Algorithm

ZHENG Jun-guan WANG Suo-he
(Shijiazhuang Tiedao University Shijiazhuang Hebei 050043 China)

The output characteristics of PV calls are no-linear. A practical model for photovoltaic cell was designed by using MATLAB/Simulink based on the engineered model of photovoltaic cell model. PV systems-perturb and observe algorithm（P&Q）is investigated. A modified P&Q algorithm is proposed for the improvement of P&Q algorithm. The control of photovoltaic grid-connected system is founded by the technology of double closed-loop control. Finally a photovoltaic generation system is constructed with simulation software. Simulation results demonstrate the validity of the model of PV array can be simulated in any condition the output characteristics of PV calls .The improvement of P&Q algorithm make the photovoltaic system quickly and track the maximum power point accurately .Besides，the output current of PV system and the voltage of public power grid with same frequency and phase through the double closed-loop control.

photovoltaic grid-connected system pv array the improvement of MPPT algorithm double closed-loop control

A

1673-1816(2017)03-0072-08

2016-06-18

鄭俊觀（1992-），男，碩士研究生，研究方向新能源發電與控制技術方面的研究。