段元奕，劉家博，沈怡平

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

隨著現(xiàn)代微電子科學技術、光纖科學技術和微機的發(fā)展，電力電子裝置的容積、重量、效率、熱特性等各方面的技術指標也日新月異。與此同時，電力電子器件、電力電子電路及電力電子裝置的電腦建模與仿真技術也在進一步發(fā)展。中國清潔能源戰(zhàn)略的一個發(fā)展重點就是光伏發(fā)電技術，而光電并網(wǎng)技術已成為中國太陽光資源的最重要開發(fā)利用方式。鼓勵對光伏發(fā)電及并網(wǎng)技術的研究，是有效減輕中國環(huán)境壓力、促進中國綠色生態(tài)、可持續(xù)型經濟發(fā)展模式的關鍵切入點。

1 太陽能光伏電池方陣仿真設計

將光伏電池當作能夠穩(wěn)定產生光電流Iph的電流源。Rs代表的是光伏電池、引線的體電阻和引線與電池接觸電阻的總電阻。Rsh代表的是電池表面因污漬等導電物質造成的跨接電阻。二極管代表的是經過PN結的擴散電流。剩余的光電線流過Rs，再流向負載[1]。具體電路圖見圖1。

圖1 光伏電池單二極管等效電路

依據(jù)圖1推導出的數(shù)學物理模型為

(1)

式(1)經過簡化推導，可以得到光伏電池的工程用數(shù)學模型：

(2)

標準條件：光照強度Sref=1 000 W/m2，電池工作溫度Tref=25 ℃。當電池溫度不是在標準條件下取值時，取T=Tair+K×S，其中，Tair為空氣的溫度，S為實際光照強度，取K=0.03。當環(huán)境條件不是標準條件時，參數(shù)Isc、Uoc、Im、Um需要相應地改變，如下所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ΔT=T-Tref，ΔS=S/Sref-1，a=0.002 5，b=0.5，c=0.002 88[2]。

Isc為短路電流，空載電壓Uoc是空載電壓。這樣，在使用該模式時只需提供光伏電池最基本的技術參數(shù)Isc、Uoc、Im和Um，就能夠按照式(3)至式(6)定義光伏電池的伏安特性曲線[3]。

多個太陽能光伏電池方陣經過串、并聯(lián)組合成太陽能光伏電池方陣，因此太陽能光伏電池方陣的模型與上述太陽能光伏電池方陣一致，只是需要根據(jù)串、并聯(lián)關系，對Isc、Uoc、Im和Um的參數(shù)值進行改變(串聯(lián)使得電壓加倍，并聯(lián)使得電流加倍)。根據(jù)上述公式與原理，基于太陽能光伏電池方陣防真設計在Matlab/Simulink中建立了該模型，圖2所示為太陽能光伏電池方陣參數(shù)設置界面[4]。

圖2 太陽能光伏電池方陣參數(shù)設置界面

2 MPPT電路仿真設計

最大功率點跟蹤(MPPT)電路仿真設計采用的MPPT電路利用的是擾動觀測法的基本原理[5]。如圖3所示，設光伏組件在當前工作點功率為Pn，增加了運行電壓ΔV后，在下一時刻工作點對應功率為Pn+1，此時Pn

圖3 擾動法爬升過程

如圖4所示，繼續(xù)增加運行電壓ΔV，此時Pn>Pn+1，需減小運行電壓ΔV，則工作點從另一方向向峰頂爬升。這樣可以不斷控制光伏電池工作點電壓的變化，最終實現(xiàn)工作點平穩(wěn)運行在最大功率點附近[7]。

圖4 擾動法反向爬升過程

3 DC/DC變換器仿真設計

要完成直流母線和太陽能光伏電池方陣之間的電氣分離，就必須選擇帶有高頻變壓器的DC/DC轉換器方案，因此在DC/DC變換器仿真設計中使用圖5給出的隔離Boost升壓電路。

圖5 隔離Boost升壓電路

隔離Boost升壓電路在升壓的同時，用高頻變壓器作為電氣隔離，其升壓倍數(shù)由Boost電路與隔離變壓器共同組成；隔離Boost電路在實現(xiàn)升壓的同時，僅用最少的開關器件，能在相同條件下實現(xiàn)最大的升壓倍數(shù)，所以選擇隔離Boost電路。

隔離變壓器變比nT取值1，則根據(jù)輸出電壓與輸入電壓關系可得到：

(7)

D=1-Ui/Uo=1-1 200/4 000=0.7

(8)

隔離升壓電路的電感需要保持輸入電流連續(xù)，因此需要的最小值為

=75.6 μH

(9)

將數(shù)值代入，太陽能光伏電池方陣正常工作電壓是1 200 V的輸出，最大功率點電壓為1 500 V，同時由于額定功率不低于2 MW，因此輸入電流最小值為1 667 A，系統(tǒng)設計頻率為10 kHz，基于隔離升壓電路的特性，電流脈動頻率f為20 kHz，式中T為5×10-5，計算得出L為75.6 μH。功率開關管Q1～Q4設定耐壓值時，以高頻變壓器原邊最大電壓作為取值依據(jù)，設計值為2 kV，當耐壓余量為50%時，則需要選擇耐壓值為3 kV的開關管。輸入電流為1 667 A，選擇輸入額定導通電流為2 kA的開關管，如果沒有滿足要求的器件，則可以選擇并聯(lián)的功率開關管。整流二極管耐壓值的設定以高頻變壓器副邊最大電壓作為取值依據(jù)，設計值為2 kV，當耐壓余量為50%時，則需要選擇耐壓值為3 kV的二極管，輸出電流額定值為1 kA，選擇2倍余量的二極管，則最終選擇2 kA導通電流的二極管。輸出濾波電容選擇耐壓值為2.5 kV，容值為1 mF的電解電容[8-10]。

隔離升壓電路需要完成對太陽能光伏電池方陣的最大功率追蹤，因此隔離升壓電路需要采集太陽能光伏電池方陣的輸出電壓Upv與電流Ipv。該設計選擇擾動觀測法。如圖6所示，在1個周期的2個Ton區(qū)間，4個開關管全部導通，此時電感充電，隔離變壓器原邊短路，在2個Toff區(qū)間內，分別對副邊輸出正負電壓[11]。

圖6 隔離升壓變換器驅動脈沖

4 逆變電路仿真設計

因為需要并網(wǎng)，所以最終輸出應為三相工頻交流電。逆變電路仿真設計采用圖7所示的三相橋式逆變電路，該逆變電路結構簡單，可靠性高，逆變效率可達97%，輸出波形也較好[12]。

圖7 三相橋式逆變電路

逆變器的功率開關管直流側電壓在2 kV上下浮動，因此選擇3 kV耐壓值的開關管作為逆變電路的功率器件。當采取SPWM調制時，三相逆變器輸出線電壓為

Uo=0.816Udc=1 632 V

(10)

則三相輸出線電流為

(11)

根據(jù)上式，該設計選擇額定導通電流為2 kA的開關管。

輸出濾波LC電路，其截止頻率為

(12)

開關頻率為10 kHz，截止頻率為1.6 kHz時，可選擇電感值為100 μH，電容值為100 μF的濾波電路[9]。

通過圖8中原理可以進行實現(xiàn)并網(wǎng)操作。采集電網(wǎng)側ua、ub、uc與ia、ib、ic，通過abc-αβ變換后，由于采用輸出電流控制，且電網(wǎng)側電壓固定，因此改變網(wǎng)側輸入電流ia、ib、ic可實現(xiàn)功率傳遞，其中PWM環(huán)節(jié)選擇SPWM調制[13]。

圖8 靜止坐標系下的PIR控制

5 仿真與發(fā)現(xiàn)的問題

建立仿真電路圖，運行后發(fā)現(xiàn)太陽能光伏電池方陣輸出電流波動過大，可通過改變隔離升壓電路的輸入電感，來調節(jié)電流波動過大的問題，輸入電感提升10倍后，電流波動抑制明顯[14]。

再次開啟仿真，可發(fā)現(xiàn)三相輸出電壓有較大畸變，為此將LC濾波電路的C值提高10倍，L提升2倍后，得到圖9中的輸出電壓，波形有較大改善。

圖9 三相逆變輸出電壓

6 結語

該設計中，太陽能光伏電池方陣輸出的直流電經過隔離Boost升壓電路后，輸出為高電壓直流電，再經過三相橋式逆變電路輸出為三相工頻交流電。其中，隔離Boost升壓電路的控制電路采用簡單實用的擾動觀測法來實現(xiàn)MPPT功能；三相橋式逆變電路的控制電路的PWM環(huán)節(jié)選擇傳統(tǒng)的SPWM調制。文中設計了一種光伏直流匯集系統(tǒng)，并通過Matlab進行了仿真驗證和參數(shù)改進，該設計簡單易行，具有一定的參考價值。