孟強(qiáng)，牟龍華，許旭鋒

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海 201804）

在環(huán)境污染嚴(yán)重以及能源日益緊缺的今天，開發(fā)和利用可再生綠色能源已經(jīng)成為人類的迫切需要[1-2]。太陽(yáng)能作為可再生能源之一，近年來引起了世界各國(guó)政府和能源專家的高度重視，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為新能源方向研究的熱點(diǎn)之一[3-4]。光伏系統(tǒng)的仿真為光伏技術(shù)的發(fā)展提供有效的參考，是重要的研究手段之一。

常見的光伏系統(tǒng)主要由光伏電池、帶有MPPT的Boost電路、逆變器及其控制回路組成，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在光伏系統(tǒng)的各個(gè)部分都做了大量的仿真研究工作。文獻(xiàn)[5-6]通過仿真研究單相光伏的逆變器控制技術(shù)，文獻(xiàn)[7-8]通過仿真建立含有光伏微源的微網(wǎng)平臺(tái)，研究微網(wǎng)特性；文獻(xiàn)[9-10]仿真分析光伏電池的最大功率跟蹤問題；文獻(xiàn)[11]建立仿真研究三相光伏的并網(wǎng)技術(shù)。但是上述文獻(xiàn)在建立光伏系統(tǒng)模型時(shí)均存在一定的不足之處，綜合起來主要有以下幾方面：1）忽略光伏電池和MPPT的仿真，用直流電源代替光伏電池；2）忽略逆變器及其控制回路，單獨(dú)研究前級(jí)直流部分；3）MPPT的算法中多用不可直接控制的光伏電池的輸出電壓作為變量。光伏系統(tǒng)的直流側(cè)和交流側(cè)是緊密聯(lián)系在一起的，建立一個(gè)合理的光伏系統(tǒng)才能更加真實(shí)地反應(yīng)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

本文用Matlab/Simulink建立光伏電池模型、帶有MPPT的Boost電路模型，然后基于提出的單相dq變換的電壓控制策略設(shè)計(jì)了控制回路，建立起整個(gè)單相光伏仿真系統(tǒng)。結(jié)合Meteonorm軟件得到的數(shù)據(jù)，以上海地區(qū)的8月1號(hào)一天的氣象數(shù)據(jù)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的控制策略的有效性。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)光伏電池的結(jié)構(gòu)及特性得到光伏電池的等效電路，如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路Fig.1 Equivalent circuit of PV cell

光伏電池的仿真主要有基于物理特性建模和基于外特性建模兩種方法。本文采用文獻(xiàn)[12]所述的基于外特性建模方法，僅采用電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下測(cè)出的開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率Pm及相應(yīng)的Um、Im5個(gè)參數(shù)，建立光伏模型。此時(shí)，光伏電池的I-V方程[12]為：

其中：

在不同的光照及溫度下，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，據(jù)此在MATLAB中建立光伏電池模型，封裝后的光伏模塊及參數(shù)如圖2所示。

圖2 光伏電池模塊及其參數(shù)Fig.2 PV cell mode and parameters

2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

由于在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度和溫度均存在一定范圍的動(dòng)態(tài)變化，為保證在一定的光照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池能工作于最大功率點(diǎn)，必須對(duì)光伏電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。常用的MPPT控制方法有定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法[13-14]，3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，表1對(duì)其進(jìn)行了比較。

表1 3種MPPT控制方法的比較Tab.1 Comparison of three control methods of MPPT

帶有MPPT的Boost電路原理圖如圖3所示，則光伏電池等效負(fù)載為：

其中，D為IGBT的占空比。而某一光照強(qiáng)度及溫度下光伏電池的I-V曲線一定，所以，調(diào)節(jié)IGBT的占空比即可調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓及電流。MPPT的實(shí)現(xiàn)就是通過控制Boost電路中IGBT的占空比，使得光伏電池的輸出端等效負(fù)載增大或減小，從而使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)。

圖3 帶MPPT的Boost電路原理圖Fig.3 circuit of Boost with MPPT

本文采用基于占空比的擾動(dòng)法，其基本工作原理為：周期性的對(duì)Boost電路中IGBT的占空比加擾動(dòng)，比較其輸出功率與前一周期的輸出功率的大小，如果功率增大則在下一周期繼續(xù)正向擾動(dòng)，否則反向擾動(dòng)。傳統(tǒng)擾動(dòng)法多用定步長(zhǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，但是當(dāng)步長(zhǎng)較小時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤所需要的時(shí)間將較長(zhǎng)；步長(zhǎng)較大時(shí)，則在穩(wěn)定時(shí)的波動(dòng)較大，功率損失較大。所以，本文基于P-V曲線特性，采用變步長(zhǎng)進(jìn)行擾動(dòng)，步長(zhǎng)為：

這樣就實(shí)現(xiàn)了在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，步長(zhǎng)較大，有利于提高跟蹤速度，離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，步長(zhǎng)較小，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，減少功率損失。圖4為占空比擾動(dòng)法的流程圖。

圖4 擾動(dòng)法流程圖Fig.4 Flow chart of perturbation method

3 逆變器及控制回路

光伏電池經(jīng)過帶有MPPT的Boost電路后輸出最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流電，需要經(jīng)過逆變器才能轉(zhuǎn)換成交流電。對(duì)于三相逆變器，將三相電流或電壓進(jìn)行dq解耦變換，再與參考值比較，通過PI調(diào)節(jié)器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制，輸出穩(wěn)定交流電。但是對(duì)于單相逆變器，該方法并不適用，因?yàn)閐q變換需要至少兩個(gè)獨(dú)立正交相[15]。為實(shí)現(xiàn)單相dq變換在逆變器中的運(yùn)用，本文基于正交虛擬電路的概念[16]，通過對(duì)電壓信號(hào)延遲1/4周期的方法虛擬出所需要的正交相，再按式（6）進(jìn)行dq變換。

式（6）中，Vr為采樣電壓信號(hào)；Vi為延遲1/4周期虛擬的正交相。

將輸出的Vd、Vq與參考值比較，經(jīng)過PI控制器后進(jìn)行dq反變換，再通過PWM發(fā)生器輸出逆變器的控制信號(hào)。構(gòu)建基于單相dq變換的電壓控制原理如圖5所示。

圖5 基于dq變換的電壓控制原理圖Fig.5 Voltage control block based on dq transformation

4 仿真及結(jié)果

經(jīng)串并聯(lián)后的光伏陣列的參數(shù)如表2所示。

表2 光伏陣列參數(shù)Tab.2 Electric parameters of PV array

Meteonorm為太陽(yáng)能以及應(yīng)用氣象學(xué)的全球氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，通過該軟件可以得到地球上任何地方以及時(shí)刻的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。通過該軟件，得到8月1號(hào)6點(diǎn)到19點(diǎn)上海地區(qū)的光照及溫度數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 光照、溫度圖Fig.6 Histogram of sunshine and temperature

為驗(yàn)證圖5控制策略的有效性，本文建立兩個(gè)仿真系統(tǒng)，一個(gè)是包含光伏電池及MPPT的光伏仿真系統(tǒng)，如圖7、8所示，圖7為光伏系統(tǒng)，圖8為逆變器的控制回路。另一個(gè)是用恒定直流源代替光伏電池和MPPT部分，仿真圖就是將圖7的逆變器之前的部分用直流源代替，控制回路與圖8相同。

仿真系統(tǒng)1中MPPT的擾動(dòng)步長(zhǎng)的k設(shè)為0.001，參考值和由系統(tǒng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波經(jīng)dq變換后得到。光伏電池的功率波形及輸出電壓波形如圖9、10所示。

仿真系統(tǒng)2中直流源電壓設(shè)為400 V，系統(tǒng)輸出電壓如圖11所示。

圖7 光伏系統(tǒng)仿真圖Fig.7 Simulation figure of the PV system

圖8 控制回路仿真圖Fig.8 Simulation figure of the control circuit

圖9 光伏電池的輸出功率Fig.9 Output power of the PV cell

圖10 光伏系統(tǒng)1的輸出電壓Fig.10 Output voltage of the PV system 1

圖11 光伏系統(tǒng)2的輸出電壓Fig.11 Output voltage of the PV system 2

由圖9可以看出，在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，變步長(zhǎng)擾動(dòng)法能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。圖10所示光伏系統(tǒng)1的輸出電壓，為峰值311±5 V、頻率50 Hz的穩(wěn)定正弦信號(hào)。由圖10和圖11可以看出，本文所提的控制策略均能使兩個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，但用直流源代替光伏電池及MPPT部分的光伏系統(tǒng)2所得到的輸出電壓波形明顯過于理想，與實(shí)際差距較大，而圖10所對(duì)應(yīng)的光伏系統(tǒng)則更真實(shí)地展現(xiàn)了光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

5 結(jié)論

提出了一種基于單相dq變換的光伏系統(tǒng)電壓控制策略，通過對(duì)上海地區(qū)一天的光伏系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性。在建立光伏系統(tǒng)時(shí)，光伏電池的仿真，MPPT算法都是必不可少的，基于此，本文建立了兩個(gè)模型，并對(duì)兩種結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，仿真結(jié)果體現(xiàn)了建立完整系統(tǒng)的重要性。

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