基于擾動觀察法的智能家庭微電網設計

王旭 戴杰 沈贊 劉奕琳 劉樹鑫

摘要：本文主要對小型家庭智能微電網進行研究，把太陽能光伏電池板產生的直流電成功的并入到電網。首先，本文對光伏電池板的輸出進行最大功率點（MPPT）跟蹤研究，然后運用擾動觀測法設計控制策略，通過Matlab/Simulink對電路進行軟件仿真。最后，應用了光伏發電電量APP實時監測發電參數，用戶可24h全天候遠程監測微電網運行狀態，提高微電網運行狀態監測的靈活性與方便性，及時發現系統異常情況，確保微電網安全穩定運行于最優狀態。

關鍵詞：并網逆變器;最大功率點跟蹤;實時監測;微電網

一、 緒論

相對于常規發電來說，光伏發電具有發電能源可持續、發電能量回報率高、清潔無污染、無地域限制、發電網絡應用布局靈活、維護方便、壽命長、相對成本低等優點。隨著科技發展，社會能源消費結構發生變化，光伏發電技術將成為解決能源危機的主要途徑。2010年后，在歐洲經歷光伏產業需求放緩的背景下，我國光伏產業迅速崛起，成為全球光伏產業發展的主要動力。2017年度，我國光伏新增并網裝機量達到53GW。2021年我國國內光伏正式進入平價上網階段，產業規模將持續擴大，新增裝機有望達55GW，到2022年或將達到65GW。據國際能源署（IEA）預測，到2030年全球光伏累計裝機量有望達1721GW，到2050年將進一步增加至4670GW，光伏行業發展潛力巨大。依托于光伏屋頂計劃和國家法規的支持[1]，許多歐美發達國家也相繼成功研發了針對不同場合的光伏發電裝置，光伏發電成為各國重要的能源結構改革方向。

二、 MPPT最大功率點追蹤

1、 光伏模塊最大功率點

當在一樣的外部條件下（光照不變，溫度相同），光伏電池的輸出只有一個最大功率，只有在輸出電壓等于那個條件下的值時，才能使系統的輸出功率達到最大值，這個電壓對應的功率P點被稱為最大功率點。

表示太陽能電池等效電壓（短時間內可以看成恒定電壓源），為外部負載的等效電阻值，為太陽能電池內部的等效電阻值。

則負載上的功率是：

（2-1）

公式兩邊對進行求導數可得：

（2-2）

從上式可以知道，要想裝置的輸出功率達到最大值，有且僅當與相等時才能達到。所以需要不斷的調整DC-DC變換器的輸出等效電阻，使它的阻值和太陽能電池的內阻相等，就能實現MPPT跟蹤策略了。

2、擾動觀察法

目前，最大功率點跟蹤算法成為研究的熱點，技術也趨向成熟。算法主要有電導增量法，擾動觀察法，恒定電壓法等，以及一些智能算法，包括：模糊控制法，基于人工神經網絡的算法等[2]。本節主要應用擾動觀察法對最大功率點進行跟蹤。

擾動觀察法的工作原理：太陽能電池同等條件下只有一個工作點對應一個最大功率，只有小型太陽能獨立裝置工作在處時，有。當小型太陽能獨立裝置工作在左邊，有，表示需要給正方向的擾動;當小型太陽能獨立裝置工作在處右邊，有，表示裝置需要給反方向的擾動。

擾動觀察法的實現的過程為;

（1）先讓太陽能電池進行工作，此時采樣記錄下此時的初始工作電壓;

（2）然后通過控制算法來改變DC-DC變換器里的占空比D，此時給太陽能電池的輸出電壓一個具有周期性（盡量比較小）的干擾電壓（或電流）;

（3）在擾動前，通過DSP采樣的I（K）、U（K）計算此次的功率P（K），擾動后的為P（K+1）;

（4）通過計算P（K+1）減去P（K）后的差值是否為零。當的值大于0，說明擾動的方向是正確的，可以繼續給周期性的擾動;

（5）否則，需要給裝置反方向的周期干擾。不斷的給裝置周期性干擾，從而使裝置不斷的向處靠近，輸出。

3、仿真分析

所選光伏模塊在環境溫度25時，光照強度1kW/m2時輸出功率為100180W，光照強度0.5kW/m2時輸出功率為50752W。

通過改變光伏模塊輸入端的光照強度值，得到如下結果：環境溫度25℃時，光照強度1kW/m2時輸出功率為100200W，光照強度0.5kW/m2時輸出功率為50760W，與光伏模塊自帶參數值接近，驗證了仿真的正確性。

三、 智能家居

1、 微電網監測系統

應用了一款Android手機App，用戶可24h全天候遠程監測微電網運行狀態[3]。同時，將手機遠程監測系統與現場監控中心有機結合，提高微電網運行狀態監測的靈活性與方便性，及時發現系統異常情況，確保微電網安全穩定運行于最優狀態。此監測系統方便用戶實時遠距離觀測到光伏發電系統的發電量情況，以及檢測光伏發電系統是否發生故障。

2、遠程監控APP

本次使用卓虎智能App對微電網的發電情況進行實時遠程監測，其中包括充電器電源測控、光伏發電計量和控制開關、進戶總表計量、離網逆變器輸出監測和控制等監控項目[4]。

四、 結論

本文以小型家庭智能微電網為研究對象，把太陽能光伏電池板產生的直流電成功的并入到電網。首先，本文對光伏電池板的輸出進行最大功率點（MPPT）跟蹤研究，然后運用擾動觀測法設計控制策略，最后通過Matlab/Simulink對電路進行軟件仿真，同時還應用了光伏發電電量APP實時監測發電參數，用戶可24h全天候遠程監測微電網運行狀態，將手機遠程監測系統與現場監控中心有機結合，提高微電網運行狀態監測的靈活性與方便性，及時發現系統異常情況，確保微電網安全穩定運行于最優狀態。

參考文獻：

[1]馮寶剛. 分布式光伏發電系統中并網/獨立雙模式逆變器研究與實現[D]. 南京：江蘇大學，2018.

[2]黃迅. 并網發電系統低電壓穿越控制策略研究[D]. 華北電力大學，2019.

[3]劉凱. 分布式光伏電站與抽水蓄能聯合運行研究[D]. 成都：電子科技大學，2020.

[4]王坤. 獨立光伏發電系統一體化控制器研究與實現[D]. 天津：天津工業大學，2020.

獲沈陽工業大學大學生創新創業訓練計劃項目資助，項目編號：S202110142024