一种基于MATLAB 的组串式光伏逆变器模型＊

魏钱圆，王杨松，孟媛媛

（南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 211167）

1 引言

随着城市化和工业化的进程加快，当前社会能源短缺和环境污染等问题日益加剧。近年来，人们的目光逐渐转向可再生能源，太阳能作为一种新兴的可再生能源，得到广泛的开发，光伏发电在国内外均得到了迅猛的发展[1-2]。

组串式光伏并网逆变器以其容量小、模块化设计方案、便于安装维护和可以使每个光伏组串工作在最大功率点等优点等到广泛应用，而且随着组串式光伏逆变器各元件成本的降低，未来对于组串式光伏电站的应用将会越来越多，因此组串式光伏逆变器的研究对进一步推广光伏发电技术具有极其重要的意义[3-4]。

本文基于Matlab/Simulink 仿真环境，建立了一种1.2 kW组串式光伏逆变器模型，并对其前级结构的控制策略进行仿真，主要包括光伏电池模型分析和光伏阵列的最大功率点追踪，采用扰动观察法来控制并实现光伏列阵输出的最大功率点跟踪，通过改变环境变量，检验模型的工作状态。

2 光伏逆变器拓扑结构和控制

2.1 组串式光伏并网系统的体系结构

如图1 所示，组串型结构是指光伏组件通过串联构成光伏阵列给光伏并网发电系统提供电能的系统结构。通常情况下，一块光伏板的额定功率一般为250～350 W，本文将四块功率为315 W 的光伏组件组串成一个光伏阵列。

2.2 光伏逆变器拓扑结构

光伏逆变器通过将光伏组件产生的直流电转换成交流电，经过滤波之后将电能输送到电网，从而实现并网。因此，整个并网系统的稳定、高效、安全运行对光伏逆变器的性能有着很高的要求[5]。根据并网逆变器是否带有隔离变压器，可以将其分为隔离型和非隔离型两种结构[4]。

图1 组串型结构

本文选用两级非隔离型光伏并网逆变器结构，该结构存在前级DC/DC 和后级DC/AC 两级能量变换。与单级式结构相比，两级式结构的控制系统更为简单，且前级控制与后级并网控制相互独立，相互间影响小。通过前级DC/DC 变换控制光伏阵列的输出电压，通过后级DC/AC 变换控制并网电流的频率和相位，从而实现并网。

同时本文前级DC/DC 电路采用Boost 电路，Boost 电路具有输入电流连续、驱动简单和转换效率高等优点，同时其简单的结构也便于整体设计。由于本文的组串式光伏逆变器为1.2 kW，功率较小，因此选取简单的L 形电路作为后级DC/AC 输出滤波电路。

2.3 并网逆变器的控制策略

根据本文选用的两级非隔离型光伏并网逆变器结构，可以通过前级MPPT 控制器和后级的并网电流控制器共同实现光伏并网控制，如图2 所示。光伏电池的最大功率跟踪控制由前级DC/DC 变换电路完成，通过光伏组串输出的直流电压和电流，实现最大功率点跟踪控制。后级通过并网电流控制器实现并网电流的控制。前级与后级电路之间通过解耦电容，可以进行单独控制，提高了系统的转换效率。

图2 组串式光伏逆变器控制原理框图

3 光伏阵列模型与输出特性分析

由于光伏阵列的工作状态会受外部环境的多种因素的影响，且诸多参数影响了光伏组件的输出特性，因此不易实现其数学建模。所以本文中采用光伏阵列在标准工作状态下的以下参数：UOC（开路电压）、ISC（短路电流）、Um（最大功率点电压）、Im（最大功率点电流），简化构造出近似的工程数学模型[6]：

光伏电池在实际工作条件与标准工作条件下的光照强度差ΔS与温度差ΔT分别为：

在实际工作条件下的UOC、ISC、Um、Im的大小为：

式（1）～（5）中：Tref为标准光照强度，1 000 W/m2；Sref为标准温度，25 ℃；a、c为温度补偿系数，a=0.002 5/℃，c=0.002 8/℃；b为光照补偿系数，0.5[7]。

根据前文对光伏阵列的分析，在Matlab/Simulink 中搭建相应的数学仿真模型。

在标准条件下，选取UOC=320 V，ISC=5.2 A，Um=254.84 V，Im=4.95 A，于是本光伏阵列的额定输出功率约为1 261.46 W。利用上述仿真模型仿真可知，当光照强度不变时，随着温度的升高，光伏阵列的开路电压和输出功率相应降低，但变化不明显。当温度不变时，随着光照强度的增加，光伏阵列电流和输出功率相应地增大，且变化明显。

综合以上分析可知，在知晓光伏组件的4 个标准性能参数情况下，本文所建的光伏阵列模型很好地反映光伏阵列的输出特性，可以模拟出任意实际条件下光伏阵列的输出特性，因此该模型可以用于光伏发电系统分析。

4 最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法

通过上文分析可知，光伏阵列具有明显的非线性特征，其输出电压和电流受环境温度和光照强度的影响。在一定光照强度和环境温度下，光伏阵列输出的电压和电流变化时，输出功率P也随之变化，在正常条件下其输出总有唯一的最大功率点（MPP），为了提高能源利用效率，就要控制光伏阵列，使其始终保持在最大功率输出状态，实现这一控制过程的技术就叫做最大功率点跟踪（MPPT）。

目前MPPT 控制的实现方法主要有恒定电压跟踪法、电导增量法和扰动观察法等，每种方法均有各自的优缺点[8-9]。扰动观察法（P&Q）的原理如下。

扰动观察法原理为给光伏阵列的输出电压实际值U增加一个扰动量ΔU，计算电压U和U+ΔU下的功率值P1、P2进行比较，得到一个功率差值ΔP=P2－P1。若ΔP＜0，则说明P1在最大功率点的右侧，可施加一个反方向的扰动（-ΔU），让功率点左移靠近最大功率点；若ΔP＞0，则说明P1在最大功率点的左侧，可以继续增加扰动，让功率点右移靠近最大功率点[10-11]。

传统的扰动观察法是通过不断地外加扰动电压来寻找最大功率点。本文采用的改进后的扰动观察法，通过直接改变光伏阵列的输出电压来寻找最大功率点。若扰动后的输出功率小于原输出功率，说明当前扰动方向错误，应往反方向进行扰动；若扰动后的输出功率大于原输出功率，说明此刻的扰动方向是正确的，应继续向该方向扰动[12]。

依据上述，用Matlab/Siumlink 建立扰动观察法仿真模块，如图3 所示。同时本文采用的是两级式光伏逆变器结构，在Matlab/Simulink 平台上搭建的基于前级DC/DC 电路的MPPT 算法仿真模型如图4 所示。

图3 扰动观测法仿真模块

图4 最大功率追踪仿真模型

光伏阵列参数如上述，其余参数设置如下：R为负载电阻（200 Ω），C1为稳压电容（1 000 μF），C2为滤波电容（300 μF），L为储能电感（2 mH）。

模型中仿真时间设定为1 s，模拟工作环境温度为25 ℃，光照强度为1 000 W/m2，对定改进的扰动观察法在光伏阵列在跟踪最大功率点时的效果进行仿真验证。

最大功率点追踪仿真结果如图5 所示。从图5 上图中可以看出，稳定后输出功率几乎没有波动，输出功率大约为1 200 W，前文计算光伏阵列的额定输出功率约为1 261 W，其输出功率与光伏阵列的额定输出功率较为接近，说明该算法跟踪效果较好、精度高。为了验证此模型在光照强度变化情况下的追踪效果，设置仿真时间为6 s，初始光照强度为1 000 W/m2，第 2 秒突变为 600 W/m2，第 4 秒突变为1 200 W/m2。同时考虑到温度对光伏阵列输出效果也有细微影响，结合实际情况加入温度影响因素，初始温度为25 ℃，第2 秒时突变为15 ℃，第4 秒时突变为35 ℃。仿真结果表明，该模型能较快地完成追踪，且追踪效果稳定，而且在光照强度突增的条件下，追踪完成时间更快。同时正常情况下，温度造成的影响可以忽略不计。

图5 最大功率点追踪仿真结果

综上可知，本文采取的模型对最大功率点追踪时稳定性好、精度高，有着不错的效果。

5 光伏逆变器的仿真模型

图6 是在Matlab/Simulink 平台上搭建的后级电路选取L形电路作为后级DC/AC 输出滤波电路的光伏逆变器仿真模型，采用双极性SPWM 调波方法，通过仿真结果的输出，来说明前级电路设计的合理性。

图7 为后级电路输出的A 相电压与电流波形。根据图7中后级电路输出A 相电压与电流波形，说明前级电路后级输出逆变并网提供较稳定的工作状态，前级电路的设计和控制策略合理。

图6 光伏逆变器仿真模型

图7 A 相电路输出的正弦波形

6 小结

文中首先介绍了组串式光伏逆变器的拓扑结构和控制方法。利用光伏阵列在标准工作状态下的四个参数，建立了光伏阵列的仿真模型。通过改变光照强度和温度进行仿真，得到了环境变量对光伏阵列输出特性的影响，验证了该工程模型的有效性。

基于Boost 电路，采用改进的扰动观察法来实现最大功率点跟踪。在Matlab/Siumlink 平台上，搭建了带有最大功率点跟踪功能的光伏发电系统仿真模型。

仿真结果表明，该模型在实现最大功率点跟踪时，过程平稳波动小、速度较快、精度高。最后通过完整的光伏逆变器仿真，证明前级电路设计的合理性。

在光照强度突变的瞬间，重新追踪到最大功率点所需时间较长，如何缩短反应时间有待于进一步研究。