基于MATLAB的单相光伏并网系统仿真研究

杨浩，吴静妹

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002；2.河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243031)

世界经济发展离不开能源的消耗，但近年来由于煤、石油、天然气等传统能源的日渐枯竭，世界人口的持续增加，世界各国都或多或少地出现了能源问题，能源危机已成为摆在世界各国面前急需解决的一道难题。新型可再生能源的出现大大缓解了能源危机,其中对太阳能的利用尤其突出。太阳能作为新型可再生能源，由于其具有绿色环保、取之不竭等优点，近年来受到了越来越多的关注[1]。

人类对太阳能最常见的一种使用形式为光伏并网发电，先利用光伏阵列收集太阳能，将收集到的热能转换为直流电能输出给逆变装置，然后将直流电能转化为正弦交流电能，再将交流电并入交流电网中去，由此构成一个有源逆变系统[2]。

1 光伏并网系统的组成

MPPT两级模式是光伏并网发电系统通常采用的结构。一般由PV阵列、DC-DC直流斩波电路、DC-AC逆变电路、有源滤波电路等模块组成，如图1所示。DC-DC变换器用来对光伏最大功率点进行跟踪控制，DC-AC逆变器的作用是将太阳能电池输出的直流电逆变成交流电反送到交流电网中去，且在并网前要使之与电网电压同频同相[3]。有源滤波器用来滤除并网前交流电能中所含的高次谐波，使其更加接近理想交流正弦信号。

图1 两级式并网系统结构

2 PV电池建模及MPPT控制方法

2.1 光伏电池输入输出特性

自然界中的很多因素会影响光伏电池发电的效率，如光照强度、温度等。PV电池受PN结参数、外部环境因素等影响，其输出会呈现出非线性。输出电压与输出电流的关系[4-5]，如式(1)所示：

I=Iph-I0{exp[q(U+IRs)/AkT]-1}-

(U+IRs)/Rsh

(1)

其中：U为PV电池的输出电压；I为PV电池的输出电流；Iph为电池光生电流；I0为二极管反向饱和电流；Rs为串联等效电阻；Rsh为并联等效电阻；k为玻尔兹曼常数；T为太阳能电池的热力学温度；A为无量纲的任意曲线的拟合常数，其取值范围为1≤A≤2。

在光照强度为1 000 W/m2、环境温度为25 °C时，PV电池的I-U、P-U特性曲线如图2、3所示。随着PV电池的输出电流逐渐增大，输出电压逐渐降低；PV电池的输出功率会随着输出电压的逐渐增大而逐渐增大，在到达最大功率点后，随着输出电压的继续增大，输出功率急剧降低。

图2 I-U输出特性曲线

图3 P-U输出特性曲线

2.2 MPPT控制方法

MPPT控制可以有效解决太阳能电池输出电压非线性所带来的系统工作点不稳定的缺陷，使其在任何条件下都可输出最大功率，故MPPT控制被广泛用于光伏并网发电领域。常用的MPPT控制方法有CVT、P&O、IC等[6-7]。本文采用扰动观测法控制输出电压，由于Boost电路具有驱动电路简单、可始终工作在电流连续状态下等优点，因此常用此电路拓扑来实现最大功率点跟踪。在Simlink工具箱中搭建的MPPT仿真模型如图4所示，其中L=1 mH，R1=30 Ω，C=3 mF。

图4 MPPT仿真模型

当光照强度发生改变，由600 W/m2增加到1 000 W/m2时，仿真模型的输出电压波形如图5所示。

图5 MPPT电压输出波形

由波形可以看出，P&O控制动态响应效果很好，可以很好地跟踪PV电池输出的最大功率点。此控制方案原理简单、容易实现，控制精度比CVT精确；缺点是输出电压在最大功率点附近会发生轻微振荡、控制精度受扰动步长影响较大。

3 两级式光伏逆变器控制策略

两极式光伏逆变电路多采用电压型全控桥式逆变电路，如图6所示，其中：Udc为PV阵列经过Boost升压及控制后的稳定电压；R2为线路的等效电阻(一般很小，假设为0.01 Ω)；L为滤波电感，大小为6 mH，用于滤除输出电压中高次谐波，同时还有平衡输出电压与电网电压之间的电压差的作用[8]。

图6 电压型全控桥式逆变电路

全桥逆变电路四个开关管分为两组，T1、T4与T2、T3交替导通，采用SPWM驱动方式。逆变后的交流电压信号由滤波电感滤除高次谐波和调整电压相位后，变为谐波含量较少、与电网电压同频同相的交流正弦信号，并入到交流电网中。

逆变电路的控制方法有很多种，本文采用动态响应性能较好的瞬时值控制方式。此控制方式由于具有输出电压波形动态响应速度较快、控制简单、高次谐波含量较少等优点，目前在有源逆变领域被广泛采用[9]。其中SPWM电流瞬时控制逻辑示意框图如图7所示[10]。

图7 SPWM电流瞬时控制框图

将参考电压与采样逆变器的输出电压进行比较，其差值定义为瞬时误差。瞬时误差信号经PI信号调节器调节后作为电流参考信号iref，再将此电流参考信号与采样电感电流瞬时值iL进行比较产生误差信号Δi，此误差信号在经过PI调节和电压前馈补偿后，将所得的信号与三角载波比较后，即产生了SPWM驱动信号，用来控制逆变电路中功率开关管的导通与关断。由上述控制方法在MATLAB中搭建并网控制模型如图8所示,其中比例参数为0.01，积分常数为100，自行设定的参数为1/400。

图9显示了在光照强度为1 000 W/m2、环境温度为25 °C情况下，采用电流瞬时控制方案交流并网发电系统的仿真结果。

图8 电流瞬时控制模型

图9 并网电流与电压的输出波形

其中，i为并网电流，unet为电网电压,在0.06 s后逆变输出的并网电流与电网同频、同相，且THD(总谐波基数)为3.6%<5%。满足并网条件。

4 结论

由仿真输出波形可以看出，采用P&O控制与电流瞬时值控制相结合的电压型全桥逆变器能够很好地使PV电池的输出功率跟踪最大功率点，较好地达到输出电压并网要求。但是，此控制方案仍有一定的不足，如扰动步长与速度和控制精度之间有矛盾，仍需进一步优化。

[参考文献]

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[2]朱配清.单相光伏并网系统的研究[D].成都：西南交通大学，2010：34-35.

[3]李冬辉，王鹤雄，朱晓丹,等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究[J].电力系统保护与控制，2010,38(21):208-214.

[4]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.

[5]黄成玉，张全柱，邓永红，等.单相光伏两级并网系统的MATLAB仿真研究[J].电源技术，2011,35(5):553-555.

[6]WANG N,ZUO S,YUKITA K,et al.Research of PV model and MPPT methods in Matlab[C]// Power and Energy Engineering Conference.Piscataway: IEEE Press,2010:1-4.

[7]LI Ding,GAO Feng,LOH P C,et al.Transient maximum power point tracking for single-stage grid-tied inverter[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.Piscataway:IEEE Press,2009:313-318.

[8]闫士职，尹梅，李庆，等.太阳能光伏发电并网系统相关技术研究[J].电子元器件应用，2009，11(1):77-80.

[9]黄瑶. 基于TMS320F2812的光伏并网发电系统的设计[D].南宁:广西大学，2008：8-9.

[10]ZHANG Hui,SHAN Lin,REN Jing,et al.Study on photovoltaic grid-connected inverter control system[C]//International Conference on Power Electronics and Drive Systems.Piscataway:IEEE Press,2010:210-212.