光伏发电系统建模及关键技术分析

郭 琦 赵子玉

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

随着智能电网建设规划的推进，太阳能作为理想的可再生能源，其应用前景正变得越来越广阔。开发利用太阳能的主要途径就是光伏发电，其优点包括无噪声、无污染，能源随处可能且取之不尽，不受地域限制，可以无人值守，建设周期短，规模设计自由度大等[1-3]。

光伏发电有离网独立供电和并网供电两种工作方式。过去由于光伏电池的生产成本居高不下，所以光伏发电多数被用于偏远的无电地区，且以中小系统等离网型用户居多。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。

本文开展了基于Matalb的光伏发电系统的建模仿真，分析了光伏发电系统建立过程中的一些关键技术，并利用所建模型对光伏发电系统离网独立供电和并网供电两种工作方式进行了对比分析。

1 光伏发电系统介绍

光伏发电系统按照系统功能可分为两类，一种为不含蓄电池环节的“不可调度式光伏发电系统”，另一种为含有蓄电池组的“可调度式光伏发电系统”。可调度式系统由于增加了储能环节，在与系统的调度配合上要优于不可调度式系统，但同时也带来一些弱点，如蓄电池寿命较短、价格昂贵、较为笨重且难于处理，而且系统安装和调试较为复杂、可靠度相对较低。因此在当前的技术条件下不可调度式系统的应用规模相对较大[4]。本文分析的对象为不可调度式光伏发电系统，其结构如图1所示。

图1 光伏发电系统结构图

光伏发电系统的建模包括光伏电池模型的建立、逆变器的设计及其控制方案的选择、光伏电池最大功率点跟踪方案设计、并网锁相环技术的软件实现等几个关键方面[5]。

2 光伏发电系统各部分结构建模

2.1 光伏电池建模

光伏电池模型的建立要在光生伏打效应这一基本原理的基础上考虑到由于太阳电池结温和日照强度导致的太阳电池参数变化而产生的对输出特性的影响。根据太阳能电池的内部结构和输出伏安特性，可用一个电流源并联上一个二极管的电路来表征电池板的输出特性[6]，如图2所示。

图2 光伏电池等效电路图

在电路模型中，电流源的电流与照射到电池板上的光强成正比关系，同时受温度的影响；二极管的饱和电流也受温度的影响；串联上的电阻是为了使模型更加准确的表征从电池板最大功率点到开路电压这个范围内的伏安特性；电池板的分流二极管用电路图中的二极管表示，通过选择最佳的质量因素使得它与电池板的伏安特性最好的匹配。当电路无接入负载时，电流大部分通过二极管分流，而当接入负载时，电流部分地流入到负载。据此可建立光伏电池的数学模型。构建的Matlab模型如图3所示。

图3 光伏电池仿真图内部封装结构

2.2 升压电路设计

光伏阵列的输出电压需要通过一级 DC/DC升压电路提升到后级逆变器需要的直流电压值。Boost变换器由于变换器存在的损耗单元较少，其效率可以做的较高，其控制策略简单，易于设计与控制建模，所以采用了 Boost升压变换器。可通过对占空比的控制保持输出电压在一个变化范围内，从而增大了输入电压的可调范围。电路模型如图4所示。

图4 DC-DC升压变换器M atlab仿真图

2.3 逆变电路设计

电网可视为容量无穷大的交流电压源，若控制光伏系统的输出为一个交流电压源，则光伏发电系统和电网实际上就是两个交流电压源的并联；若要保证系统的稳定运行，则必须同时严格控制并网系统输出电压的幅值和相位[7]。这种并网系统和电网之间可能会出现环流，系统不易稳定运行。因此，光伏并网系统应被设计为电压型的电流源系统，逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，通过采用控制技术实现并网电流与电网电压的相位同步。

采用单相全桥脉宽调制逆变器作为逆变环节，其包括4个功率半导体元件和一个输出电感。脉宽调制逆变器是要输出与电网电压同相的电流从而得到单位功率因数，所以用电流反馈控制方案来实现对4个功率开关通断的控制，降低由负载变化而引起的变化。逆变器的控制方案采用电流滞环反馈控制，将所要求的并网电流的正弦波给定值与实际并网电流相比较，误差信号经过滞环控制器处理后，产生相应的脉宽调制信号，控制功率器件的开通与关闭，使并网电流波形为与电网电压同频同相的正弦波。电路模型如图5所示。

图5 电流滞环反馈控制逆变器

2.4 最大功率跟踪方案设计

光伏组件的伏安特性呈非线性，最大功率点随辐射强度和温度的变化而变化。在特定的环境条件下光伏发电系统最大功率输出对应的工作点只有一个。为提高光伏电池效率，最大功率点跟踪问题就显得尤为重要。在不可调度式光伏并网系统中，可通过调整并网逆变器指令电流的大小以实现 MPPT控制。常用的MPPT实现方法有定电压跟踪法、功率回授法、扰动观察法及增量电导法等[8]。

本文采用变步长的扰动观察法，系统首先计算出当前时刻太阳电池阵列的输出功率，然后和上一时刻的输出功率作比较。如果当前时刻的功率大于上一时刻的功率，则表示此时变化的方向正确，应继续向这个方向变化。如果当前时刻的功率小于上一时刻的功率，则表示此时变化方向己经偏离最大功率点，应该按照和原来给变化方向相反的方向改变。而在变化过程中又应根据所处的状态调整步长的大小。步长即指令电流的变化，可用功率对电压的变化率表征当前的状态，步长的大小应根据当前的状态在光伏电池功率－电压关系曲线上所处位置而定。采用功率对电压变化率的比例放大作为判断应采用步长的依据。用S函数实现MPPT，其程序流程图如图6所示。

图6 M PPT流程图

2.5 锁相环方案设计

在光伏并网发电系统中，为了保证并网电流和电网电压严格同频、同相，必须使用锁相环（PLL）技术。锁相环是指能够自动追踪输入信号频率与相位的闭环控制系统。锁相环的实现有模拟锁相环（APLL）、数字锁相环（OPLL）、混合锁相环（HPLL）及软件锁相环（SPLL），前三种是以硬件方式实现锁相，有着较为复杂的硬件电路，后一种则是由输入信号硬件采样和锁相软件配合实现锁相。软件锁相便于实现DSP控制，灵活性好，并且可以方便地通过软件设定来调整并网电流和电网电压之间的相位差，这意味着可以通过光伏并网系统在向电网注入有功功率的同时向电网注入无功功率，实现对电网的无功补偿。

本文采用软件锁相，思路是通过捕获电压和电流信号的正向过零点来获得电网电压和电流的相位信息，通过控制指令电流的相位实现锁相。S函数的程序流程图如图7所示。

图7 软件锁相环流程图

3 光伏发电系统离网独立供电仿真与分析

不可调度系统由于没有蓄电池，无法保证供电的稳定性和连续性，所以通常情况下不独立带负载。但对于不重要的负载或一些特殊情况，光伏发电系统也可直接对负载供电。负载可分为交流负载和直流负载。直流负载接于升压变换器的输出端，如对电压有严格要求，则无法使用MPPT技术。本文讨论的是接到逆变器输出端的交流负载。

独立带载的情况下，逆变器要作为稳定的电压源输出，因此要使用电压控制，保持输出电压恒定。系统的输出功率由负载决定，因此无法使用 MPPT技术。输出电压和电流的相位是由负载决定的，因此用不着锁相环。

输出电压控制的方法有电压平均值反馈控制、电压瞬时值反馈控制、电压电流双闭环反馈控制等。本文采用的是电压电流双闭环反馈，是将电压平均值反馈同电流控制结合了起来，既简单又保证快速和稳定。其基本思路是：先实时检测输出电压，将其与给定的标准正弦输出电压相比较，得到输出电压误差，再用比例积分环节调节补偿这个误差得到电流基准，将它与输出滤波电感电流瞬时值相减，获得电流误差信号，再对这个电流误差信号进行调节，得到 PWM调制波，最后与恒频三角载波比较产生开关控制PWM脉冲。电路模型如图8所示。

图8 系统独立带载的仿真图

系统输出电压和电流波形如图9所示。系统独立带载时，经过最初的仿真程序起动时间后，很好的实现了电压恒定输出，输出的电流和电压都是很好的正弦波形。光伏阵列的输出功率由负载决定，当负载过大时，光伏阵列的输出电压会下降，系统产生不稳定；当负载很小时，光伏阵列的输出功率较低，电池没有得到很好的利用。

图9 系统独立带轻载输出波形

4 光伏发电系统并网供电仿真与分析

光伏发电系统要与电网相连，应保证其输出满足电网在电能质量方面规定的指标，要求逆变器在负载或日照变化幅度较大的情况下仍能高效稳定运行[9]。太阳能电池的输出功率与日照、温度、负载的变化有关，这就要光伏发电系统具有最大功率跟踪功能，可通过系统自动调节实现阵列的最佳运行。并网情况还应考虑本地交流负载，真正输入电网的并网电流应等于逆变器的输出电流减去负载电流。如果是电阻性负载，那么只需要一次锁相就可以保持同步而不会受MPPT控制下指令电流的幅值变化的影响。如果是电感性负载，那么随着指令电流幅值的变化，输出电流幅值也随之变化，而负载电流不变，使得并网电流的大小和相位发生变化，需要再次锁相。这就决定了MPPT的输出变化频率必须小于锁相环的输出变化频率。

将光伏阵列、Boost升压变换器、逆变器、MPPT模块、锁相环模块连接起来，通过变压器接到电网上，就构成了光伏发电并网系统的仿真图。并网变压器的作用一是使逆变器电压升到并网所需电压等级，二是实现电气隔离。电路模型如图10所示。

图10 系统并网仿真图

系统输出的电压电流波形如图11所示，可看到输出呈很好的正弦波形，电压保持与电网同相、同幅值。仿真过程有意设计为一开始指令电流与电压不同相，并且让系统工作在非最大功率点处。由仿真结果可以看到，由于锁相环的作用，在 0.03s附近电压电流相位被锁定，变得同步。而由于最大功率跟踪技术的作用，电流输出在0.08s和0.16s处两次增大，向最大功率点靠近。

图11 系统并网仿真输出波形

5 结论

本文用Matlab软件成功建立了单相光伏发电并网不可调度式系统的仿真模型，模型包括光伏电池部分、升压变换器部分、PWM逆变器部分、MPPT模块和锁相环模块。其中，两级逆变器中 DC-DC环节实现了电压升高和稳压的双重作用，DC-AC环节通过电流滞环反馈控制输出较好的正弦波电流；而确立了变步长扰动观察法作为最大功率点跟踪方案，较为有效地缓解了固定步长扰动法本身快速和损耗之间的矛盾；建立了软件锁相环的模型，成功实现了电网电压和电流的锁相，保证了较高的功率因数。

同时还分析了独立带载和并网两种情况下的控制方案，分析了独立带载情况下系统的运行特点及采用的控制方案，用电压电流双闭环反馈控制实现了稳定的电压源输出；在并网供电仿真中，将系统各部分连接起来，用仿真结果验证了系统模型的有效性。

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