基于MATLAB的單相光伏并網系統仿真研究

楊浩，吳靜妹

(1.安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241002；2.河海大學文天學院，安徽 馬鞍山 243031)

世界經濟發展離不開能源的消耗，但近年來由于煤、石油、天然氣等傳統能源的日漸枯竭，世界人口的持續增加，世界各國都或多或少地出現了能源問題，能源危機已成為擺在世界各國面前急需解決的一道難題。新型可再生能源的出現大大緩解了能源危機,其中對太陽能的利用尤其突出。太陽能作為新型可再生能源，由于其具有綠色環保、取之不竭等優點，近年來受到了越來越多的關注[1]。

人類對太陽能最常見的一種使用形式為光伏并網發電，先利用光伏陣列收集太陽能，將收集到的熱能轉換為直流電能輸出給逆變裝置，然后將直流電能轉化為正弦交流電能，再將交流電并入交流電網中去，由此構成一個有源逆變系統[2]。

1 光伏并網系統的組成

MPPT兩級模式是光伏并網發電系統通常采用的結構。一般由PV陣列、DC-DC直流斬波電路、DC-AC逆變電路、有源濾波電路等模塊組成，如圖1所示。DC-DC變換器用來對光伏最大功率點進行跟蹤控制，DC-AC逆變器的作用是將太陽能電池輸出的直流電逆變成交流電反送到交流電網中去，且在并網前要使之與電網電壓同頻同相[3]。有源濾波器用來濾除并網前交流電能中所含的高次諧波，使其更加接近理想交流正弦信號。

圖1 兩級式并網系統結構

2 PV電池建模及MPPT控制方法

2.1 光伏電池輸入輸出特性

自然界中的很多因素會影響光伏電池發電的效率，如光照強度、溫度等。PV電池受PN結參數、外部環境因素等影響，其輸出會呈現出非線性。輸出電壓與輸出電流的關系[4-5]，如式(1)所示：

I=Iph-I0{exp[q(U+IRs)/AkT]-1}-

(U+IRs)/Rsh

(1)

其中：U為PV電池的輸出電壓；I為PV電池的輸出電流；Iph為電池光生電流；I0為二極管反向飽和電流；Rs為串聯等效電阻；Rsh為并聯等效電阻；k為玻爾茲曼常數；T為太陽能電池的熱力學溫度；A為無量綱的任意曲線的擬合常數，其取值范圍為1≤A≤2。

在光照強度為1 000 W/m2、環境溫度為25 °C時，PV電池的I-U、P-U特性曲線如圖2、3所示。隨著PV電池的輸出電流逐漸增大，輸出電壓逐漸降低；PV電池的輸出功率會隨著輸出電壓的逐漸增大而逐漸增大，在到達最大功率點后，隨著輸出電壓的繼續增大，輸出功率急劇降低。

圖2 I-U輸出特性曲線

圖3 P-U輸出特性曲線

2.2 MPPT控制方法

MPPT控制可以有效解決太陽能電池輸出電壓非線性所帶來的系統工作點不穩定的缺陷，使其在任何條件下都可輸出最大功率，故MPPT控制被廣泛用于光伏并網發電領域。常用的MPPT控制方法有CVT、P&O、IC等[6-7]。本文采用擾動觀測法控制輸出電壓，由于Boost電路具有驅動電路簡單、可始終工作在電流連續狀態下等優點，因此常用此電路拓撲來實現最大功率點跟蹤。在Simlink工具箱中搭建的MPPT仿真模型如圖4所示，其中L=1 mH，R1=30 Ω，C=3 mF。

圖4 MPPT仿真模型

當光照強度發生改變，由600 W/m2增加到1 000 W/m2時，仿真模型的輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 MPPT電壓輸出波形

由波形可以看出，P&O控制動態響應效果很好，可以很好地跟蹤PV電池輸出的最大功率點。此控制方案原理簡單、容易實現，控制精度比CVT精確；缺點是輸出電壓在最大功率點附近會發生輕微振蕩、控制精度受擾動步長影響較大。

3 兩級式光伏逆變器控制策略

兩極式光伏逆變電路多采用電壓型全控橋式逆變電路，如圖6所示，其中：Udc為PV陣列經過Boost升壓及控制后的穩定電壓；R2為線路的等效電阻(一般很小，假設為0.01 Ω)；L為濾波電感，大小為6 mH，用于濾除輸出電壓中高次諧波，同時還有平衡輸出電壓與電網電壓之間的電壓差的作用[8]。

圖6 電壓型全控橋式逆變電路

全橋逆變電路四個開關管分為兩組，T1、T4與T2、T3交替導通，采用SPWM驅動方式。逆變后的交流電壓信號由濾波電感濾除高次諧波和調整電壓相位后，變為諧波含量較少、與電網電壓同頻同相的交流正弦信號，并入到交流電網中。

逆變電路的控制方法有很多種，本文采用動態響應性能較好的瞬時值控制方式。此控制方式由于具有輸出電壓波形動態響應速度較快、控制簡單、高次諧波含量較少等優點，目前在有源逆變領域被廣泛采用[9]。其中SPWM電流瞬時控制邏輯示意框圖如圖7所示[10]。

圖7 SPWM電流瞬時控制框圖

將參考電壓與采樣逆變器的輸出電壓進行比較，其差值定義為瞬時誤差。瞬時誤差信號經PI信號調節器調節后作為電流參考信號iref，再將此電流參考信號與采樣電感電流瞬時值iL進行比較產生誤差信號Δi，此誤差信號在經過PI調節和電壓前饋補償后，將所得的信號與三角載波比較后，即產生了SPWM驅動信號，用來控制逆變電路中功率開關管的導通與關斷。由上述控制方法在MATLAB中搭建并網控制模型如圖8所示,其中比例參數為0.01，積分常數為100，自行設定的參數為1/400。

圖9顯示了在光照強度為1 000 W/m2、環境溫度為25 °C情況下，采用電流瞬時控制方案交流并網發電系統的仿真結果。

圖8 電流瞬時控制模型

圖9 并網電流與電壓的輸出波形

其中，i為并網電流，unet為電網電壓,在0.06 s后逆變輸出的并網電流與電網同頻、同相，且THD(總諧波基數)為3.6%<5%。滿足并網條件。

4 結論

由仿真輸出波形可以看出，采用P&O控制與電流瞬時值控制相結合的電壓型全橋逆變器能夠很好地使PV電池的輸出功率跟蹤最大功率點，較好地達到輸出電壓并網要求。但是，此控制方案仍有一定的不足，如擾動步長與速度和控制精度之間有矛盾，仍需進一步優化。

[參考文獻]

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[2]朱配清.單相光伏并網系統的研究[D].成都：西南交通大學，2010：34-35.

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[9]黃瑤. 基于TMS320F2812的光伏并網發電系統的設計[D].南寧:廣西大學，2008：8-9.

[10]ZHANG Hui,SHAN Lin,REN Jing,et al.Study on photovoltaic grid-connected inverter control system[C]//International Conference on Power Electronics and Drive Systems.Piscataway:IEEE Press,2010:210-212.