分布式光伏狀態監測與故障自診斷研究

崔強

中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安，716000

0 引言

在全球經濟和社會高速發展的驅動下，傳統的不可再生能源如煤炭、石油等即將消耗殆盡，同時常規化石能源大量使用造成了世界范圍內的環境污染和生態惡化，對人類賴以生存的陸地生活構成了威脅[1]。我國的能源形勢不容樂觀，開發使用新能源已成當務之急。我國國土面積遼闊，地處北半球，地形地貌豐富復雜，擁有充足的光能資源。因此，光伏發電對于我國來說前景十分可觀并且十分可取[2]。對新能源發電并網技術進行研究，具有十分重要的經濟和社會價值。

在分布式光伏發電系統中，逆變器是核心部件和關鍵技術[3]，其主要功能是將光伏發電機輸出的交流電經過整流、升壓、逆變轉變為可以并網的交流電，逆變器實現的目的從前端到后端主要包括整流、電壓逆變、諧波消除、電網跟蹤、防孤島效應等，其中逆變器工作狀態由于直接決定了光伏發電的輸出效率，且關系到整個發電系統的穩定性，故而系統性地研究光伏發電逆變器狀態監測與故障自診斷研究具有十分重要的意義[4-6]。

1 光伏發電系統建模

1.1 光伏電池特性

光伏電池采用半導體的光電效應將光能轉化為電能，其伏安特性可以簡單表示為圖1（a），最佳工作點對應電池的最大輸出Pmax。圖1（b）給出了光伏系統的等效電路示意圖，圖1（b）中Iph為光生電流源電流，該值與光強、溫度及光伏電池面積有關；Rsh、Rs分別是電池內部等效的并聯、串聯電阻；I0為二極管反向飽和電流；q為電子的電荷量，1.6×10-19C；U、I分別為電池的輸出電壓和電流；n為二極管理想因子，1＜n＜2；k為玻爾茲曼常數，1.38×10-23J/K；T為電池的工作溫度。

由圖1可計算得光伏發電系統的輸出電流方程為：

由上述等效電路模型和電池特性方程可以得到光伏電池在不同光強和溫度條件下的I-V、P-V曲線如圖2所示。由圖2（a）和（b）可以看出，當保持T不變，改變S為1000/800/600和300，光伏電池的短路電流隨光強呈正比增加，而開路電壓對光強的敏感性較低，電池的輸出功率P與光強S成正比關系，S對P的影響明顯，尤其是功率峰值點處[7-11]。通過對比圖2（c）及（d）可知，電池開路電壓隨著溫度升高而降低，短路電流變化不大，總體上溫度升高會造成電池的輸出功率降低。綜上可知，溫度T對輸出電壓的影響很大，光強S對輸出電流的影響很大，隨著T和S的變化光伏電池的I-V、P-V曲線均具有非線性關系變化，且存在唯一的最大功率輸出點，故在外界光強和溫度不斷變化的情況下應不斷追蹤電池最大功率點以保證最大功率輸出。

1.2 光伏電池仿真模型

運用Matlab/Simulink軟件對光伏電池進行模擬，圖3中給出了該系統的模型示意圖。本文搭建的模型具體包含電源模塊、MPPT控制器、BOOST電路和PWM波產生器等。模型中采用受控電流源反并聯二極管和電阻的結構來模擬光伏電池內部的光生電源和反向電流，從電池特性方程可知電池使用仿真模型受開路電壓和短路電流等4個基本參數影響，采用封裝模塊如圖3中PV所示對電池進行數學模擬。

由文獻[ 12]中可知，占空比對BOOST輸入阻抗有影響。利用BOOST電路實現MPPT是源于改變BOOST電路輸入阻抗與電池輸出阻抗匹配可以獲得最大輸出功率。然后當MPPT控制器收到電池的輸出電壓和電流后進行計算，通過PWM產生驅動脈沖，從而控制開關元件的開斷。其中采用BOOST變換器來實現MPPT策略，開關元件選擇IGBT。IGBT導通時，等效電源向電感充電，同時電容給電阻供電；當IGBT斷開時，等效電源和電感共同給電容充電，同時給電阻提供能量。

光伏電池的輸出特性主要受光強（S）和溫度（T）控制，模型中設定初始溫度T0=25℃，初始光強為1000W/m2。系統仿真參數設置為：電池開路電壓Uoc=22V，電池短路電流Isc=8.58A，最大功率點輸出電壓Um=17.7V，最大功率點輸出電流Im=7.94A，最大輸出功率為Pm=140.5W。

2 MPPT算法實現光伏發電狀態監測

擾動觀察法是目前常用的MPPT實現方法之一[13]，其具有檢測參數少、原理簡單和實際硬件結構簡單的優點。圖4給出了擾動觀察法原理圖，以一定的步長對電池的輸出電壓反復進行擾動，通過觀察功率點的變化情況來判斷當前工作點位于最大功率點的位置，逐步調整擾動方向直到工作點到達功率最大點附近，實現系統最優控制。擾動觀察法有兩種：電壓型擾動觀察法和電流型擾動觀察法，本文采用電壓型擾動觀察法，其能夠承受較大的光強變化，但劇烈的溫度變化會使系統崩潰[14-15]。

在擾動過程中如果步長太大，可以減少趨近最大功率點的時間，但是在到達最大功率點附近會產生較大的振蕩，從而使得精度有所下降；反之如果采取小步長則會在達到較高精度的前提下花費更多的搜索時間。基于此，本文采取變步長擾動觀測法，圖5為本文的電壓型擾動觀察法的算法流程。借助電導增量法的思想，在基本擾動觀測法中加入對斜率的判斷，采用兩級變速的方式實現MPPT。第一級步長選取較大，快速到達最大功率點附近區域，獲得較快的搜索時間；然后采用較小的第二級步長來獲得高精度的要求。

3 仿真分析

在模型初始狀態下：T0=25℃，S0為1000W/m2，通過擾動觀察法進行分析，獲得的結果如圖6所示。

圖6給出了MPPT下的靜態光伏系統輸出電流、電壓以及最大輸出功率，從圖中可以看出系統在0.05s時快速達到了穩定，輸出電流、電壓以及最大輸出功率均達到要求，與理論值一致，證明該系統的靜態性能較好。

當保持外界光強不變時，設定初始溫度為50℃，在t=0.2s時降低溫度至25℃并于t=0.4s時降低溫度至15℃，得到電池的輸出電壓、電流及最大輸出功率如圖7（a）所示。由圖7（a）中可以得出，當外界溫度降低時，電池輸出電流持續減小而輸出電壓增大，最終的輸出功率呈增加趨勢。當保持外界溫度不變時，設定初始光強為1000 W/m2，在t=0.2s時光強降低至600，于t=0.4s時上升至800W/m2，其輸出電壓、電流及最大輸出功率如圖7（b）所示。從圖7（b）中可以看出，當光強由1000W/m2降低時，輸出電流變化明顯，隨著光強的降低也急劇下降，輸出電壓變化不明顯，最終輸出功率與電流呈現相同的趨勢。另外從圖7中可以看出，光強變化時輸出電流的變化較溫度變化時更加明顯，即輸出電流對光強具有更大的敏感性，而對溫度變化不敏感；輸出電壓在溫度和光強的影響下均變化不大。

4 結語

本文首先進行了光伏發電系統模擬，研究了不同外界環境下的光伏電池輸出功率。其次，運用BOOST電路和PWM模塊實現MPPT策略，提出了一種兩級變步長擾動觀察法，減小了擾動觀察法在靠近最大功率點時震蕩并保證了快速性。并通過仿真進行了驗證，得到以下結論：

（1）光伏電池隨著溫度T和光強S的變化I-V、P-V曲線均具有非線性關系變化，溫度T對輸出電壓的影響很大，光強S對輸出電流的影響很大，存在唯一的最大功率輸出點。

（2）改進后的兩級型擾動觀測法較基本方法能夠在保證快速性的前提下增加精度，獲得更好的輸出特性。在外界條件動態變化時，其最大功率跟蹤特性好。

（3）仿真結果表明電壓型擾動觀測法下，電池輸出電流對光強具有更大的敏感性，輸出電壓則影響均不大。