东北农村户用型光伏系统控制策略

张永超

（贵州电网公司六盘水供电局，贵州　六盘水　553000）

东北农村户用型光伏系统控制策略

张永超

（贵州电网公司六盘水供电局，贵州六盘水553000）

东北农村地区冬天采暖消耗能源较大，为节能减排，设计一种光伏发电加热策略。该策略利用太阳能供电给远红外加热装置来满足农户的供暖要求，采用扰动占空比的方法控制降压升压变换装置，根据光照和温度的变化完成最大功率跟踪。在用户不需要光伏加热的季节，结合无差拍并网逆变器将尽可能多的太阳能以单位功率因数的方式并网。最后利用仿真验证了控制策略的正确性和可行性。

远红外加热装置；最大功率跟踪；降压升压变换；无差拍并网

0　引言

中国东北地区由于地理位置的缘故，其采暖时间比较长，所以采暖消耗的电量或者煤等资源比较大，相比于城镇高效的集体供暖方式，农村地区单家单户供暖有成本高的问题。在农村地区可利用光伏发电来降低供暖耗的成本。在不需要供暖的季节，将太阳能所发电能并网，增加收入［1-2］。

给出光伏电池的模型，然后根据远红外加热装置的负载特性和太阳能最大功率跟踪的要求，在单独给远红外加热装置供电的模式下，提出使用降压升压变换电路以及扰动占空比的算法完成对该负载的供电［3-4］。在并网模式下，利用升压变换电路满足逆变器直流侧电压稳定和最大功率跟踪的要求，逆变器交流侧采用无差拍控制方法完成光伏发电并网。通过MATLAB仿真验证了提出策略的正确性和可行性。

1　光伏电池数学模型及输出特性

光伏电池利用光生伏特效应来产生电能，工程上普遍采用硅光伏电池来进行光电转换。采用文献［5-6］中光伏电池的等效模型，其数学表达式为

式中：I为太阳能电池输出电流；V为太阳能输出电压；Voc为开路电压；Isc为短路电流；G为太阳能辐射强度；Gref、Tref分别为太阳辐射（1 000 W/m2）和光伏电池温度参考值 （25℃）；Vm、Im为最大功率点电压、电流；Tc为光伏电池当前温度值；α为光伏电池短路的电流温度系数；β为光伏电池开路电压的电压温度系数［3］。设Vm、Im、Voc、Isc分别为35.2 V、4.95 A、44.2 V、5.2 A。假设光照1 000 W/m2、温度为25℃时，仿真电流（I）—电压（U）波形以及功率（P）—电压（U）波形如图1所示。

图1　电流电压和功率电压波形

假如光伏电池在光照为1 000 W/m2和温度为25℃的条件下，外部直接所带负载为纯阻性，当负载（R）从小到大（0～40 Ω）改变时，光伏输出功率（P）的特性如图2所示。

图2　功率阻抗特性

图2中显示只有当负载为8 Ω时，光伏电池才能达到最大功率。又由图1可观察最大功率点处的电压与电流之比约为8 Ω。这正好与最大功率输出匹配原则相符合，即负载阻抗与电源输出阻抗相等时，电源的输出功率最大。文献［7-8］提到，开关型变换型负载与纯阻性型负载的输出特性基本一致。

2　远红外加热装置

红外线又称红外辐射，通常把波长为3～1 000 μm的红外线称为远红外线。许多被加热的高分子、有机物等材料对3～25 μm范围的波有较强的吸纳能力。远红外加热装置就是利用远红外的上述特性来完成电能到热能的转换，此外远红外加热装置还结合红外涂料来增加其转换的效率，达到节能的效果。通常远红外的电路模型为纯电阻，本方案拟采用市场常见的3 kW的远红外加热装置，其额定工作电压为交流220 V。根据纯电阻的功率计算公式，可以推出其阻值为16.13 Ω。当发热软板在70℃以下时，其阻值变化很小，而远红外发热软板的工作温度不超过70℃。

3　最大功率跟踪

光伏系统的负载为远红外加热装置，为纯电阻性负载。光伏电池组的负载为纯电阻时，光伏电池组的输出电阻和外部负载相等时，才能发出最大功率。如果光伏电池组与远红外加热装置直接相连，并不能在大多数情况下充分利用太阳能，所以在光照和温度改变的情况下，需要借助DC/DC变换装置完成最大功率跟踪。下面分别讨论定值电阻与升压（boost）变换装置、降压（buck）变换装置以及降压升压（buck-boost）装置结合后的等效电阻。这里统一认为输入电源的电压为Vi，输入电源的输出电流为Ii，负载上的电压为Vo，负载流过的电流为Io，开关管占空比为D，负载为纯电阻R，电源的输出电阻为Rs。图3为3种变换装置的电路图。

图3　DC/DC变换电路

3.1定值电阻与升压变换装置

升压变换装置通过改变开关管一个周期内导通与关断的时间来完成升压的大小。当开关管导通时，电感蓄能，负载主要由电容供电。当开关管关断时，电感电压与电源电压之和加在电容上，一起给负载供电。如果电感电流连续的情况下，且电感和电容消耗能量很小，则由上述工作模式可以推导出：

3.2定值电阻与降压变换装置

降压变换装置也是通过改变开关管占空比的大小来改变降压的大小。同样在电感电流连续的情况下，电感和电容消耗的能量很小，可以推导出：

3.3定值电阻与降压升压变换装置

同上述两种变换装置的分析一样，可得［7］：

综上，在任何光照和温度的情况下，理论最大功率点时，太阳能电池板的输出电阻都小于或等于纯电阻负载的阻值时，可以利用升压变换装置结合扰动占空比的方法，完成最大功率跟踪。在任何光照和温度的情况下，理论最大功率点时，太阳能电池板的输出电阻都大于或等于于纯电阻的阻值时，可以利用降压变换装置结合扰动占空比的方法，完成最大功率跟踪。当在一些光照和温度的条件下，理论最大功率点时，太阳能电池板的输出电阻大于或等于纯电阻的阻值，而在另外一些光照和温度的条件下，理论最大功率点时，太阳能电池板的输出阻抗又小于或等于纯电阻的阻值时，可以利用降压升压变换装置，结合扰动占空比的方法，完成最大功率跟踪。

光伏电池板采用先串后并、7串2并的方式运行。采用的电池板参数如表1所示（温度25℃，光照1 000 W/m2）。图4为当温度为-15℃，光照分别是1 000 W/m2和500 W/m2时，功率随外部电阻变化的曲线。

表1　光伏电池参数

图4　光伏电池板输出功率特性

由图4可知当光照在1 000 W/m2时，理论最大功率点的输出电阻（13 Ω）小于远红外加热装置的电阻（16.2 Ω），而当光照为500 W/m2时，理论最大功率点的输出电阻 （26 Ω）大于远红外加热装置（16.2 Ω）。所以需借助降压升压装置，来完成最大功率跟踪。

图5　利用定步长扰动占空比的方法

图5为利用定步长扰动占空比的方法［5］，降压升压装置和扰动占空比算法以及仿真结果。仿真条件：温度为-15℃，在0～0.25 s时，光照为800 W/m2，0.25～0.5 s光照为500 W/m2。

4　并网运行策略

在户用小型太阳能发电系统中，直流电压通常较低，若采用单级式光伏并网，需要在逆变器输出侧添加工频变压器。当采用两级式光伏并网时，需要光伏电池配合直流升压装置，再进行逆变，可以省去工频变压器。两级式光伏并网又分为前级最大功率跟踪和后级最大功率跟踪模式，当采用后级最大功率跟踪模式时，在不同的运行阶段，前后级需要改变调节速度来满足控制要求，增加了整个系统控制的复杂程度。采用前级最大功率跟踪模式时，DC/DC环节只需要进行太阳能电池的最大功率跟踪，充分利用太阳能，而DC/AC逆变器利用功率平衡来维持直流侧电压，虽然为了避免能量堆积，要求DC/AC的调节速度高于前级DC/DC，但更容易实现［6］。单相逆变器并网的控制中有电流滞环比较方式、电流定时比较方式、三角波比较方式、无差拍控制等。采用两级式单相光伏并网中的前级最大功率跟踪方式，前级通过扰动占空比的方法完成最大功率跟踪，后级采用无差拍并网控制。

4.1DC/DC扰动占空比最大功率跟踪

逆变器直流侧电压通常为交流侧峰值的1～1.5倍，而采用的电池串联电压小于逆变器直流侧电压，所以需要采用升压电路完成最大功率跟踪。根据升压变换的数学表达式可知只要占空比D改变，光伏电池输出的功率就会改变。与传统爬山法原理相同，通过一个小的扰动步长来比较扰动前后的功率大小，来判断扰动的方向，实现控制占空比D的大小来完成最大功率跟踪。其电路结构图和扰动占空比的算法如图6所示。

图6　升压电路和扰动占空比算法

4.2DC/AC逆变器

无差拍控制通过采集控制量进行提前一拍预测，计算出开关器件的占空比来控制其导通的时间，从而使逆变器输出的电流更加接近正弦。L型并网逆变器结构如图7所示。

图7　单相逆变器结构

由图7可知：

如果在一个开关周期内，驱动信号的占空比为D，则可以得到：

将式（14）离散化并变形后得（设T为开关期间的采样周期）：

使iref（k）=i（k），也就是“差一拍”控制，得出：

通过式（17）计算的占空比大小就可以控制逆变器开关的导通时间，使电流达到并网的要求［8］。

4.3前后两级组合后的控制策略

逆变器的开关器件通常采用IGBT和二极管组合的形式，这样可以保证功率的双向流动。将逆变器直流侧电压大小的变化作为逆变器交流输出电流大小的指令值，为了更好地维持直流侧电压的平衡，将直流侧实际电压与设定值做差后通过PI调节器，再作为交流输出电流的指令值。利用交流输出电流指令值，配合无差拍并网方法，可以得出逆变器的导通信号。

搭建仿真模型如图8所示，仿真参数取直流母线电压400V，交流侧电压有效值220V/50Hz，光伏电池温度25℃，0.4 s时光照从800 W/m2变化到500 W/m2。图9为逆变器直流侧电压波形。图10为光伏输出功率波形图。图11为逆变器交流侧电压和电流波形。

图8　仿真模型

图9　逆变器直流母线电压

图10　光伏输出功率波形

图9中可以看出，在光照发生变化后并网系统直流侧依然能够维持在400 V左右保证了系统的稳定，图10中显示光照变化前后均能保证最大功率跟踪，图11中逆变器并网电流在光伏功率发生变化的情况下，能够快速地将最大电能转换并网，且满目前并网标准中功率因数需接近1的要求。

实际情况下，根据不同的季节分别采用提出的两种策略就能很好地解决光伏供电给远红外发热取暖和并网发电的问题。

图11　逆变器交流侧电压和电流波形

5　结语

根据东北农村地区取暖的需求，提出了一种利用光伏电池结合远红外加热装置冬季供暖以及无须供暖时将光伏电池电能无差拍并网的方案。先分析了光伏电池输出特性和远红外装置的负载特性后，提出光伏电池可以结合降压升压装置给远红外装置供电，来满足任何条件下光伏最大功率跟踪的需求。当并网运行时，采用两级式并网，光伏电池采用升压装置来满足最大功率跟踪，逆变器采用无差拍控制满足并网电流和直流侧电压恒定的要求。仿真结果验证了提出方案的可行性和正确性。

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Control Strategy of Photovoltaic System in the Northeast Rural Household

ZHANG Yongchao
（Liupanshui Power Supply Bureau，Guizhou Power Grid Corporation，Liupanshui 553000，China）

The consumption of energy for heating is huge in northeast rural areas in winter.A photovoltaic heating strategy is proposed for energy conservation.The strategy uses solar energy and far infrared heating device to satisfy the requirement of farmer household heating.It controls the buck-booster transform device by means of perturbation duty ratio method to achieve maximum power point tracking according to the change of light and temperature.In other seasons，solar power is transmitted to grid with unit power factor by means of dead beat grid-connected inverter.Finally the validity and feasibility of proposed control strategy are verified by simulation results.

far infrared heating device；maximum power point tracking；boost-buck transform；dead beat grid-connected

TM615

B

1007-9904（2016）01-0054-05

2015-08-29

张永超（1988），男，从事配网运行工作。