单相光伏并网运行控制仿真

李兴，刘正英

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州 730050)

单相光伏并网运行控制仿真

李兴，刘正英

(兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州 730050)

对单相光伏并网的运行控制进行了仿真研究。给出了单相光伏并网的主电路拓扑结构，对光伏电池的特性进行了仿真研究。通过Boost升压斩波电路和改进的扰动观察法实现了光伏阵列输出的最大功率跟踪控制。在光伏并网过程中，并网逆变器采用电压电流双闭环的控制策略来实现系统并网。仿真结果表明，在不同的外界条件下，系统均能实现并网。

光伏并网系统;光伏特性;最大功率跟踪;并网控制

近年来，由于能源危机以及煤、石油、天然气等传统资源造成的环境污染的加剧，风能、太阳能、地热能等可再生能源越来越受到人们的广泛关注。太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源。我国西北及华北地区有丰富的太阳能资源。如何很好地利用这些资源是当前面临的一个关键问题。太阳能光伏发电是新能源利用的重要方面。

光伏发电系统除了满足自身重要负荷的用电需求外，需要考虑如何将所发的多余电能输送给其他负荷。太阳能光伏并网发电很好地解决了这一问题。当太阳能充足时，光伏发电系统将多余的电能输送给大电网;当受气候天气因素的影响使得光伏发电系统不能满足自身负荷的需求时，由大电网补足缺额。

并网光伏发电系统是指将光伏阵列输出的直流电通过各种电力电子设备，采用相应的控制策略，使得并网电流与电网电压同频同相，并通过接口逆变器实现与大电网的连接［1］。

光伏并网发电系统结构主要包括光伏阵列、最大功率跟踪控制环节和并网逆变环节3部分。

1 系统主电路结构

单相光伏并网发电系统的主电路拓扑结构如图1所示。其中:Boost电路主要实现光伏电池的最大功率跟踪控制;单相逆变桥主要完成光伏发电系统的并网运行控制。

如图1所示，直流母线电容C1主要起到能量缓冲的作用，其上的电压U1作为两级电路能量平衡的参考。当U1升高时说明前一级电路的输入功率大于后一级电路的输出功率，系统需要增加并网电流来平衡输入输出功率;反之则相反。电容C1实现升压斩波和逆变两级电路的解耦控制。

图1 系统主电路结构

2 光伏电池的特性分析

用恒流源并联二极管的动态分析电路来模拟具有光伏阵列输出特性的等效电路［2］。

流过负载的电流为［2］

式(1)中:I0为反向饱和电流，表示在黑暗中通过P－N结的少数载流子的空穴电流和电子电流的代数和;U为等效二极管的端电压;q为电子电量; T为太阳电池板的绝对温度;k为玻尔兹曼常数;A为二极管曲线因子，取值范围为1～2。

当有np和ns个光伏电池板分别并入和串入光伏阵列模块中时，有

光伏电池等效模型见图2。

图2 光伏电池等效模型

3 系统的控制策略

3.1 光伏阵列的最大功率跟踪控制

小功率的光伏组件输出电压较低。本文通过Boost斩波电路来实现DC/DC变换。Boost起到升压的作用，将小功率光伏组件输出的低电压转变为能够满足要求的直流电压。Boost电路的另一重要用途是实现MPPT控制。通过改变功率开关器件MOSFET的开关控制信号的占空比D来调整和控制光伏电池工作的最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。Boost电路的拓扑结构如图3所示。

图3 Boost电路拓扑结构

根据Boost电路的基本原理，可知其输入输出电压关系为

假设Boost电路元件为理想器件，变换器无功率损失，则有:

从式(5)可以看出，当R固定不变时，开关占空比D越大，Boost电路的输入阻抗越小;反之则相反。通过调节D可以调节等效输入阻抗。由于光照、温度等环境因素的不同，光伏电池内部的等效电阻是不断变化的。可用一可变电阻R0来等效光伏电池的内部电阻。假设用Pout表示系统的输出功率，则有

在一定的环境条件下Uin是固定不变的。通过以上分析可知:当输入电阻Rin等于负载电阻R时，系统输出功率最大，即Pmax=U2in4R0，从而可通过调节占空比D使系统的输出功率最大。

最大功率跟踪(MPPT)的实现是一个自寻优的过程。常用于MPPT的方法有很多，本文采用改进的扰动观察法(P＆O)来实现［3］。该方法通过改变Boost的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近，同时计算出参考电压Vref用于产生PWM控制信号。计算功率P(k)=V(k)×I(k)。比较k点与k－1点功率值的变化，进而决定下一步功率变化的方向。如果功率继续呈增加的趋势，则继续朝原扰动方向改变电压，反之则调节电压改变的方向。在扰动刚开始时，可适当采用较长的步长;在靠近最大功率点时，可减小扰动步长(其控制框图如图4所示)，直至找到最大功率区间，即功率不再变化为止。

图5为光伏阵列最大功率跟踪控制框图。首先检测光伏阵列输出电压Uin和输出电流iL，计算得到输出功率。经MPPT控制算法导出给定的电压Uref后，与实测电压Uin比较，其电压偏差送至PWM发生器，产生可以控制功率管的PWM信号，控制Boost电路的占空比，实现最大功率跟踪控制。

图4 改进扰动观察法的控制流程

图5 MPPT控制框图

3.2 系统的并网运行控制

光伏发电系统的并网运行主要依靠对并网逆变器的控制。并网逆变器的控制主要分为电压和电流两种控制方式。大电网相当于容量趋于∞的交流电压源。当采用电压控制方式时，光伏阵列与大电网相当于容量一大一小两个电压源的并联，当两电源之间存在电位差时，必将有环流的产生，增加了控制的难度;当采用电流控制方式时，只需并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相即可实现系统并网，控制方式简单易行，应用较普遍［4］。

光伏并网逆变器在实现与大电网并网的过程中，主要受光照强度、环境温度等外界因素对光伏阵列输出功率的影响和电网侧负荷投切等随机扰动造成的电网电压波动的影响。大电网相当于无穷大系统，负荷投切等的扰动对电网电压的幅值、频率和相位的影响微乎其微。光伏并网逆变器的设计可忽略电网侧电压波动的影响，主要考虑随机因素引起的光伏阵列输出功率不稳定这一扰动因素的影响［5－6］。

单相光伏并网控制模块主要由指令电流合成和PI控制器两个环节组成。

1)指令电流合成

指令电流主要包括2个要素，幅值和频率。iref的幅值主要由最大功率跟踪控制求得，即保持=Im，Im为光伏阵列实现最大功率输出时的工作电流。为使逆变器的输出电流与大电网电压同频率、同相位，可通过PLL实现。取电网频率为50 Hz，则iref=Imsin(100πt)。

如图6所示，VPV为光伏阵列的输出电压，IPV为光伏阵列的输出电流，Ug为电网电压的有效值。忽略电路中的损耗，PPV除以电网电压有效值Ug，即可得到参考控制电流的有效值Iref，再通过PLL即可得到逆变器输出电流参考信号iref。

图6 指令电流合成框图

PI控制框图如图7所示。

图7 PI控制框图

3)系统控制方式

光伏并网系统控制方式如图8所示。在并网逆变过程中采用直流电压外环、交流电流内环的双闭环控制策略。系统检测直流电压的实际值Udc与给定电压相比较，偏差经过PI调节后得到Iref，再经过锁相环节得到电流内环并网电流的给定值iref。与实际检测的逆变器输出电流igrid相比较，经过PI环节，最后通过PWM发生器输出SPWM信号，控制逆变器实现单位功率因数并网。

图8 光伏并网系统控制方式

4 仿真研究

本文采用的光伏电池的型号为STP0950S－36，其在标准测试下的参数如表1［2］所示。

表1 光伏阵列参数表

通过Matlab搭建系统模型，并进行相关的仿真分析。

4.1 光伏电池输出功率建模仿真

结合本文的分析，分别完成光伏电池、Boost升压斩波电路、MPPT以及PWM脉宽调制等子系统的建模，并进行相应的仿真分析。之后对各个子系统进行封装，搭建整个系统的仿真模型，得出相应的波形。

初始电池温度为25℃，光照强度为600 W/m2，0.1 s时光照强度增加到800 W/m2，0.2 s上升到1 000 W/m2，温度保持不变。系统的仿真波形如图9所示。

图9 不同光照强度下光伏电池输出功率仿真波形

光照强度为1 000 W/m2保持不变，初始电池温度为25℃，0.1 s时上升到35℃，0.2 s时下降到30℃。光伏电池的输出功率仿真波形如图10所示。

图10 不同温度下光伏电池输出功率仿真波形

由图10可知:温度上升时，光伏电池输出的最大功率减小;温度下降时，光伏电池输出的最大功率增加。同时，电池温度发生变化时，系统仍然能实现最大功率跟踪。

4.2 并网仿真

搭建单相光伏并网仿真模型。当电池温度为25℃，光照强度为1 000 W/m2时，电网电压与并网电流的仿真波形如图11所示。

通过图11的仿真波形可以看出:逆变器输出电流通过短暂的调整，在0.02 s以后，并网电流与电网电压即可达到同频同相。

图11 系统电压与并网电流仿真波形

5 结束语

本文主要研究单相光伏并网运行控制。分析了光伏电池的数学模型;采用Boost升压斩波电路实现了小功率光伏组件输出低电压向符合要求电压的转换以及MPPT控制。改进的扰动观察法更快速地实现了光伏阵列工作点向最大功率点的靠近。通过研究结果可知:在不同的外界条件下，系统始终能够快速、稳定地实现光伏电池的最大功率跟踪目标，快速性、动态性良好。采用电压、电流双环控制，实现了并网电流与电网电压同频同相，保证了单位功率因数并网，提高了并网效率。

［1］穆桂霞，郝瑞祥.新型单相光伏并网逆变器的研制［J］.电力电子技术，2011，45(9):69－71.

［2］王长江.基于MATLAB的光伏电池通用数学模型［J］.电力科学与工程，2009，25(4):11－14.

［3］赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2003.

［4］禹华军，潘俊民.光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真分析［J］.计算机仿真，2005，22(6):248－252.

［5］余运江.单相光伏并网逆变器的研究［D］.杭州:浙江大学，2008.

［6］魏德冰.单相光伏并网逆变器的研究［D］.保定:华北电力大学，2011.

(责任编辑 杨黎丽)

Simulation of Operation Control of Single-Phase Photovoltaic Grid-Connected Control

LI Xing，LIU Zheng－ying
(College of Electrical Engineering and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

In view of the wide application of PV grid－connected power generation in recent years，the operation control of the single－phase grid－connected photovoltaic system is studied related.The main circuit topology of single－phase photovoltaic grid－connected system is given.Characteristics of photovoltaic cells are relevant simulation analysis，through the Boost chopper circuit and the perturbation and observation method to achieve the maximum power of photovoltaic cell output tracking control.In the process of photovoltaic grid－connected，in the control strategy of voltage and current double closedloop，the inverter realizes system integration.Finally，through the simulation in different environmental conditions，the correctness of the system can be achieved.

photovoltaic grid－connected system;photovoltaic properties;MPPT;grid－connected control

TM464

A

1674－8425(2014)05－0115－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.022

2013－11－25

甘肃省科技支撑计划项目(1204GKCA003)

李兴(1990—)，男，甘肃人，硕士研究生，主要从事新能源发电方面的研究。

李兴，刘正英.单相光伏并网运行控制仿真［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(5):115－119.

format:LI Xing，LIU Zheng－ying.Simulation of Operation Control of Single－Phase Photovoltaic Grid－Connected Control［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):115－119.