光柴互补系统建模与改进MPPT控制策略

曹 益，施伟锋，卓金宝，侯姝琪



光柴互补系统建模与改进MPPT控制策略

曹 益，施伟锋，卓金宝，侯姝琪

(上海海事大学，上海201306)

介绍了光伏电池原理，在MATLAB/Simulink中建立了光柴互补发电系统。采用Matlab的S函数编写了光伏电池MPPT控制器控制方法，并在当负载吸收功率小于光伏电池输出功率时，对控制器进行了改进，以防止功率流入柴油发电机。仿真得到负载工况变化下系统的功率、电压曲线，验证了改进的MPPT控制器的可行性。

光柴互补系统 建模 改进MPPT控制 S函数

0 引言

微电网是指将需求区域内分布的小型发电单元（分布式电源）、储能装置以及需求区域内负荷组织起来而形成的发电、变电、输电、配电系统，目前研究内容包括：微网系统的仿真建模与应用；微网系统分布式电源最大功率输出与并网的实现；系统经济分析和优化调控设计等。光伏发电有离网独立供电和并网供电两种工作方式[1]。

本文在Simulink中建立光伏电池的数学模型、柴油发电机模型、功率控制系统，以及分工况负载系统。设计了最大功率控制器，同时，根据负载的不同情况对MPPT控制器进行了改进。通过系统仿真图分析，验证了改进MPPT控制器符合预期。

1 光伏发电

1.1发电原理

目前，光伏电池大多由半导体元素硅元素组成，掺杂一些其他的原子。光伏电池大多由薄的硅晶圆组成，分为上层N-层与底层P-层。上层比较薄，掺杂了磷原子，而下层厚一些，掺杂了硼原子，作为衬底，其结构示意图如图1所示。

硅原子的价电子层具有四个电子，硅原子之间有共价键，形成硅晶体，无自由移动的电子。掺杂的磷原子最外层有五个电子。这样，在N-层中则出现了多余的电子。当太阳光照射到N-层表面，光子撞击的能量大于原本的共价键之间的作用力时，共价键被破坏，此时，多余的电子发生移动。另一方面，由于在P-层掺杂了硼原子，硼原子的价电子层有三个电子，这样在P-层晶体中产生了“空穴”。这些“空穴”实质上是由于共价键配对过程中，缺失的电子形成的。此时，当从N-层移动的电子运动到P层时，正好填充了配对缺失电子而形成的“空穴”，看起来相当于“空穴”在移动。

图1 光伏电池结构示意图

电子不断地移动与“空穴”相配对，从而在P-层与N-层相交处形成了PN结。由于“空穴”的不断移动，聚集在PN结与N-层相交处，从而在PN结中产生电场，称为内建电场。该电场不仅使得N-层电子移动到PN结附近，同时也阻止P-层电子的反向移动，即从P-层运动到N层。当外接电路负载时，N-层内部移动至PN结的电子，由P-层移动的电子所补充。亦可以理解为P-层向PN结运动的“空穴”被流入来自光伏电池背面的电子所填充。从而在外部电路形成电流，持续的对外部负载做功。

1.2光伏电池的数学模型

光伏电池的发电原理是十分复杂的，图2给出了该复杂原理的等效电路。

图2 光伏电池等效电路

图2中，I为光生电流，大小取决于光照强度、材料等；I为二极管电流；R，I分别为对地漏电阻，旁路漏电流，理想情况下为无穷大；R为光伏电池等效内阻，理想情况下为0；一般情况下，与PN结深度、杂质等有关；V分别为输出端电流、开路电压。

2 MPPT控制以及改进方法

2.1 MPPT控制方法简介

光伏电池的输出电压和输出电流随着光照强度和环境温度的变化具有非线性特性，因此在特定的环境下存在着唯一的最大功率点（MPP）[2]。为了最大效率的转化太阳能，最大功率点跟踪就成为光伏发电系统必不可少的一个环节[3]。最大功率点作为功率输出的最优点，需设计最大功率跟踪控制器来逼近甚至稳定在该点。MPPT控制方法主要有扰动观察法（P&O法）和电导增量法（INC法）[4]。

图4 光伏电池V-P曲线(,)

本文采用电导增量法设计最大功率控制器[5]。在P-V曲线上，最大功率点左侧，Δ/Δ为正值，最大功率点Δ/Δ为零，最大功率点右侧，Δ/Δ为负值。所以，只要当Δ/Δ为正值，则增大电压Δ；而当Δ/Δ为负值，则减小电压Δ。对于一直保持零值，则是不太可能的，针对这样一种情况，在零附近设置可行性区间[, 0],[0,]，的值在此区间内则认为此时已经运行在最大功率点。

图5 改进MPPT控制流程图

2.2 MPPT控制器改进

MPPT控制器始终追踪最大功率，会出现输出功率大于负载功率的情况。此时，由于本系统没有储能系统，功率会流入柴油发电机，造成事故。所以，此时必须对光伏电池的输出功率进行控制。那么，原来追踪最大输出功率的MPPT控制器必须按需改进。本文基于实际情况中，负载端负载变化快的因素，通过采集柴油发电机端的功率流向进行控制器设计。当功率流入柴油机时，即时的限制光伏电池的功率，从而达到保护系统，同时符合负载的功率要求。其控制流程如图5，其中Ps为柴油发电机的发出功率。

在控制器设计中引入了柴油发电机功率的测量及功率方向，是改进控制器设计的核心部分。

3 Simulink系统搭建与仿真

3.1系统Simulink搭建

本文仿真模型采用SPR-305E-WHT-D模块，由5个电池模块串联形成电池组件，66个电池组件并联形成电池阵列，此时，输出功率最大为 100.7 kW。基于MATLAB/Simulink建立了SE-DS系统，系统结构如图6。其中，光伏曲线与温度曲线是利用Signal Builder 模块建立的光伏与温度数据输入曲线；PV Array是光伏电池模块组，是根据光伏电池数学模型等效电路建立的；MPPT控制器是利用S函数模块建立的，根据改进MPPT控制方法建立最大功率控制器。Boost变换器是boost升压变换电路，其输出电压高于输入电压的直流变换器。三相桥是三相桥式电路的简称，是将直流电转换为三相交流电供负载使用的装置。

图6 SE-DS系统Simulink模型

VSC控制器模块控制三相桥式电路，将boost变换器输出电压转换为所需交流电压，并保持单位功率因数。系统由两个控制回路组成，一个回路将直流电压调节为所需电压的直流控制回路，回路输出I参考电流；另一个是调节I（直流控制回路产生的参考电流）和I的控制回路。I电流基准设为零，以保持单位功率因数[4]。根据参考电压电流，产生控制三相桥式电路的脉冲，满足负荷的需求。柴油发电机系统作为另一电源系统，原动机带动同步发电机产生具有额定电压与频率的三相电源。

3.2系统仿真

1）负载功率大于光伏电池功率的工况

光伏电池功率为100 kW，柴油发电机的功率为200 kW，负载在2 s时负载由150 kW增加到250 kW。可见，负载功率大于光伏电池的最大功率。仿真结果如图7。

由功率曲线可知，光伏电池发出的功率随着光照强度以及温度，输出功率不断增加，但是由于负载功率大于光伏电池发出的功率，柴油发电机介入，使得发出的功率满足负载的功率。在2 s时由于负载突变系统发生波动，柴油机发出的功率进一步增加，以满足负载的需求。而对于电压，在2 s时由于负载增加，系统发生波动，但是，很快达到稳定状态。此时，改进的MPPT控制器并未发生作用。

2）负载功率小于光伏电池功率的工况

为了研究这种情况，将负载的功率调节至90 kW，小于光伏电池提供的最大功率。再进行仿真。仿真结果如图8。

此时，光伏电池在1.3 s时，对比输出功率（1）中工况可知，此时，光伏电池功率并未超过负载功率90 kW，而是在90 kW处波动，这归功于MPPT控制器的调节。由于在MPPT控制器的设计中，对柴油发电机的功率进行了检测，当柴油发电机功率小于等于零时，改进的MPPT控制器及时的限制光伏电池的输出功率。此时的柴油机发出的功率为零，达到了节能的效果。

4 总结

本文在光伏电池的数学模型分析的基础上，建立了光柴互补发电系统。针对负载功率小于光伏电池发出的功率，会出现功率流入柴油机从而造成事故的，改进了利用电导增量法设计的MPPT控制器。通过Simulink仿真，说明了在负载大于和小于光伏电池最大功率的工况下，改进的MPPT控制器是可行的。

[1] 郭琦, 赵子玉. 光伏发电系统建模及关键技术分析[J]. 电气技术, 2012, (3): 20-24

[2] Mei Q, Shan M, Liu L, etal. A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(6): 2427-2434.

[3] Masoum M A S, Dehbonei H, Fuchs E F．Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltageand current-based maximum power-point tracking[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2002, 17(4): 514-522.

[4] 梁慧慧. 独立光伏发电系统最大功率点跟踪的研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2014.

[5] 杨永恒, 周克亮. 光伏电池建模及MPPT控制策略[M]. 电工技术学报, 2011.

Modeling of Solar-diesel Hybrid System and Control Strategy of Improved MPPT

Cao Yi, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Hou Shuqi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM914

A

1003-4862（2017）08-0069-04

2017-04-14

曹益（1989-），男，在读硕士研究生。专业方向：电力系统及其自动化。E-mail: 305453129@qq.com