双级PCS中光伏侧控制仿真

王翔宇，梁俊宇，袁兴宇

（1. 云南电网有限责任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

随着全球对清洁能源的需求的不断增长，可再生能源发电技术得到了广泛应用。但是可再生能源发电系统，如太阳能光伏发电和风力发电，不同于传统的发电方式，其产生的电能一般为直流电，而电网供电和用户终端所需的电能为交流电。同时由于可再生能源发电的特点是不稳定和间断性，无法满足电网需求的时刻性和稳定性。为实现可再生能源发电平滑并网，需要对光伏等间歇性能源配置一定的储能，并通过联合运行控制实现功率的平稳输出。这其中，与电网直接相连的功率转换系统（Power Conversion System, PCS）负责能量的双向交换，实现电能转换、功率调节和电网同步等功能，确保能量的高效传输和供应。其控制运行是分布式能源系统接入电网的关键，也是当前的研究热点。

目前，由于单级式PCS 系统容量和功率输出方面都较为有限，其储能装置的容量和功率输出在设计上受到限制，这限制了系统的储能能力和能量传输能力，从而可能影响到系统的稳定性和供能能力，无法满足可再生能源发电并网需求。为了满足更大规模的电力存储需求，可能需要考虑多级PCS 的应用。双级式PCS 系统通过两级能量转换，可以增加系统的容量和功率传输能力，适用于大容量储能和高功率输出的电力存储和分配系统。同时多级式的结构使系统的控制和管理较为复杂。由于需要同时控制和协调两个逆变器以实现双向能量转换，因此对于控制算法和系统设计的要求较高。

本文针对储能双级式PCS 中的光伏前级模块，推导了电导增量法，以实现平稳的最大功率点跟踪。针对DC/AC 模块进行双闭环控制，并在此基础上通过引入前馈控制环节，实现了分序无静差控制策略，从而有效地平稳了系统直流母线电压，并进行了数值仿真验证。

1 光伏发电特性分析

在双级PCS 系统中，光伏模块作为光电转换装置，负责将太阳光直接转化为电能。光伏模块的输出电压和电流对直流母线电压稳定的影响是巨大的。可是，光伏模块的功率输出通常会受到诸如天气条件、光照强度等外界因素的影响。因此，在双级PCS 系统中，通过峰值功率追踪算法等控制策略来实现最大功率点追踪，以最大化光伏模块的发电效率对于光伏模块的控制至关重要。

储能双级式PCS 总览图如图1 所示。本文主要围绕前级光伏发电系统展开研究，主要包括光伏电池的工作原理及输出特性和最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制算法，并通过仿真建模为MPPT 控制和对直流母线电压控制的实现提供理论基础。

图1 双级PCS系统基本结构示意图

双级式PCS 系统的基本架构包括以下部分：

第一级：直流- 直流（DC-DC）变换器。该变换器负责连接储能装置（例如电池组）和电网，并实现直流电的调节和变换。它可以将储能装置的电压和电流调整为适合储能系统和逆变器运行的合适电平，并提供能量管理功能。

第二级：直流- 交流（DC-AC）逆变器。该逆变器接收来自DC-DC 变换器的直流电，并将其转换为适用于电网的交流电。逆变器还负责保持输出电流的频率和相位与电网同步，并确保与电网的高质量连接。

前级光伏发电控制系统设计如图2 所示，将光伏模块产生的电能经过受MPPT 控制的DC-DC 变换电路后产生直流电能输出，为后级逆变部分提供能量。

图2 光伏发电系统控制框图

影响光伏电池对外输出特性的主要因素是光照强度和环境温度，由此对不同自然条件下的光伏输出特性进行分析。

表1 光伏电池参数

首先关于不同光照强度下光伏PV 模块对外特性进行研究，参数设置如下：标准温度T=25 ℃，光照强度分别为S=1000 W/m2、750 W/m2、500 W/m2、250 W/m2。仿真结果如图3 所示。

图3 固定温度不同光照下的输出特性曲线

以相同的方法，固定光照强度设置为1000 W/m2， 将温度分别设置为T=45 ℃、35 ℃、25 ℃、15 ℃，照仿真结果如图4 所示。

图4 固定光照强度不同温度下输出特性曲线

图3和图4 为光伏PV 模块在不同自然条件下对外特性的仿真结果，可以对比观察输出电压、输出电流和输出功率之间的联系。从上图对比可得出以下结论：

光伏发电的特性受到多种因素的影响：

首先光照强度对光伏发电的影响非常显著，光照越强，光伏电池的发电功率就越高，进而影响光伏发电的产量。同时，光伏电池的温度也会对发电性能产生很大影响。由图4 可知，在一定范围内光伏电池的温度越高，发电效率就越低，因此，热量的散发和光伏电池的散热设计对于提高光伏发电效率很重要。此外阴影效应、角度和方向、污染和灰尘等外界因素也会影响光伏板的光照强度和温度。最后，在光伏PV 模块的对外特性曲线上峰值点有且仅有一个，也就是说最大功率点只有一个，并且最大功率点在不同环境条件并不固定，所以如何实现在变化的外界环境下将光伏板功率控制在最大功率工作点至关重要。

2 MPPT控制策略

由前文可知，光伏电池的输出功率与输入电压和电流之间存在一个最大功率点（MPP），该点是光伏电池输出功率最高的位置。然而，由于光照强度、温度和负载变化等因素的影响，光伏电池的工作点会产生变化，导致输出功率不断变化。MPPT 控制技术通过测量光伏电池输出电压和电流，并根据这些测量值调整电池负载，以使其工作于最大功率点。这样可以最大程度地提高光伏发电系统的能量转换效率。

为提高光伏模块的发电效率，需要配合相应的控制策略实现对MPP 点的实时跟踪，以通过实时调整光伏模块的输出电压以实现调整等效阻抗的控制效果，使其工作在MPP 点附近。图5 为MPPT 控制策略框图。

图5 光伏MPPT控制框图

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制原理是通过工作点追踪，使其在不同光照强度、温度和负载等因素影响下都能提供最大输出功率。通过传感器测量光伏模块的输出电流、输出电压，计算实时功率以和MPP 点比较，通过改变负载或控制电子器件的转换效率，调整光伏电池的工作点。目标是使光伏系统的功率输出接近最大功率点（MPP）。这可以通过使用不同的控制算法和调节策略来实现。

由于MPPT 控制技术已经比较成熟，使用时根据现有算法进行设计和优化更多考虑实用性，根据不同的控制算法，系统的控制精度、成本都会不同，因此实际生产中需要选用合适的MPPT 算法。本文以扰动观察法和电导增量法两种MPPT 控制算法为例对功率点寻优的工作原理和特点进行分析。

在太阳能电池组的最大功率点跟踪技术中，扰动观察法是一种应用较为广泛的方法之一。扰动观察法通过对太阳能电池组电压或电流施加微小的幅度波动，观察输出功率的变化，并通过反馈控制来调整工作点，迭代优化使得太阳能电池组能够工作在其最大功率点上。在扰动观察法中，通过引入正向或负向电压干扰，太阳能电池组的工作点会发生偏移。如果输出功率随着干扰的加入而增加，说明工作点越来越接近最大功率点。根据这个观察结果，再次引入正向干扰。然而，如果输出功率随干扰的加入而减小，说明工作点偏离最大功率点，此时需要改变扰动方向引入相反的干扰。

如图6 所示，详细来说，工作起点为A 点，在A 点引入正向电压干扰，使得工作点移至B点。如果在B 点输出功率依然增加，则再次引入正向干扰，继续向最大功率点靠拢。但是，如果输出功率随着正向扰动的加入而减小，说明工作点需要向最大功率点的另一侧移动。在这种情况下，改变扰动方向，引入反向干扰。这样，在B 点到C 点和D 点的过程中，输出功率先增加后减小，最终形成一个摆动过程。摆动的幅度取决于寻优过程中引入的干扰步长。

图6 扰动观察法工作路程图

同样地，从A 点开始引入负向干扰，如果输出功率因此减小，也需要改变扰动方向，引入正向电压干扰。通过不断迭代和调整干扰方向，在最大功率点C 附近实现系统的稳态运行。

以上就是扰动观察算法的工作路径，通过引入适当的干扰，不断调整太阳能电池组的工作点，使其接近最大功率点。具体的算法流程如图7 所示。

图7 扰动观察法算法流程图

扰动观察算法具有结构简单、控制环路清晰的特点。它首先采集光伏电池输出侧的电压和电流数值，然后引入干扰信号进行周期性的寻优。此算法通过观察引入干扰后输出功率的变化情况，结合反馈闭环的方式来追踪太阳能电池组的最大功率点。然而，由于该算法的实现过程特点，当寻找最大功率点附近时，电池组工作点会不断在该区域内摆动，从而导致光伏发电单元无法持续输出最大功率。因此，在寻优过程中，需要适当设置干扰量来降低对系统稳态的影响。另外，当环境条件发生变化时，系统会出现误判现象，导致控制精度下降。因此，P&O 算法更适用于对控制精度要求不高的光伏发电系统。针对对控制精度要求较高的系统，需要考虑其他更复杂的MPPT 算法。

电导增量法（Incremental Conductance）它通过测量太阳能电池组的电压和电流，并计算其电导（即电流对电压的变化率），以确定最大功率点。电导增量法的原理基于以下几个关键观察： 在最大功率点附近，电池组的电导为零；当电池组工作点偏离最大功率点时，电池组的电导为正或负。基于以上观察，电导增量法通过测量PV 模块的电压和电流，得到当前工作点的电压和电流值。然后计算当前工作点的电导，即电流对电压的变化率。通常使用离散的差分来近似连续的导数计算。电导的计算公式为：dV/dI。其中dV表示电压的变化量，dI表示电流的变化量。比较当前工作点的电导与零值的关系： 若电导为零，表示当前工作点接近最大功率点，继续维持当前工作点； 若电导为正，表示工作点偏离最大功率点，需要向最大功率点调整，增加电压；若电导为负，表示工作点偏离最大功率点，需要向最大功率点调整，减小电压；根据比较结果调整电池组的工作点，继续采集新的电压和电流数值，并重复上述步骤。通过不断调整工作点和追踪电导的变化，电导增量法可以有效地定位和跟踪最大功率点。

如图8 为电导增量法的实现过程：通过研究功率与电压的微分关系，根据在最大功率点处dI/dV=0 的特性，从而判定系统工作点与最大功率点的位置，可以用公式描述为：

图8 电导增量法工作路径图

其中，ΔV为采样电压与前一次采样电压的差值，ΔI为采样电流的差值，计算结果可以分为以下三种：

当电池组的电压变化率dV为0、电流变化率dI为0 时，表示系统位于最大功率点（MPP），此时不需要进行进一步的控制调节。当电压变化率dV为0 且电流变化率dI大于0 时，表示在当前环境条件下光强增加，工作点偏离最大功率点的左侧，因此应该增加电压来调整工作点。而当电压变化率dV为0 且电流变化率dI小于0 时，表示工作点偏离最大功率点的右侧，此时应该降低电压来调整工作点。若电压变化率dV不等于0 且电流变化率dI/dV大于负的电流与电压之比（-I/V），则表示系统工作在最大功率点的左侧，因此应该增加电压。而当电流变化率与电压变化率之比dI/dV等于负的电流与电压之比（-I/V）时，说明系统目前工作在最大功率点上，此时需要保持电压不变。图9 展示了INC 算法的流程图。

图9 电导增量法算法流程图

电导增量算法用于实现对最大功率点（MPP）的实时追踪。根据光伏电池的输出特性曲线，该算法首先采集电压和电流的瞬时值，并计算输出功率和电压之间的微分关系。基于电导和电导增量的变化，调整步长来寻找最大功率点。然而，由于INC 算法的复杂性和对系统的要求较高，它存在一定的截断误差，很难满足高精度的要求。实际应用中，INC 算法需要实时获取电压和电流的测量值，并通过近似计算电导来确定功率点的位置。在每次迭代过程中，根据电导增量的变化来调整电压的步长，以逐步接近最大功率点。然而，由于实际系统中的噪声、漂移等干扰因素，以及计算中的近似误差，INC 算法很难达到高精度的最大功率点跟踪要求。

根据上文所述，扰动观察法虽然具有简单的实现方式，适用于一般的太阳能光伏系统。它通过周期性的扰动和观察功率变化来逼近最大功率点。但是电导增量法具有更高精度的功率跟踪功能，实现最大功率点跟踪，固采取电导增量法实施控制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 平台搭建出系统的仿真模型如图10 所示，仿真系统由前级光伏发电部分和后级逆变电路组成。其中，前级光伏发电系统由三部分组成：

图10 前级光伏发电部分

第Ⅰ部分光伏发电模块，可通过设置参数模拟光伏电池板工作时环境条件；第Ⅱ部分为MPPT 算法和Boost 电路的控制模块，完成对最大功率点的跟踪控制；

第Ⅲ部分Boost 升压电路，光伏发电系统产生的直流电能由此作为后级逆变部分的直流输入。滤波电感1.45 mH，电感内阻R为0.0001 Ω，滤波电容10 μF，直流母线电压Udc为400 V，直流侧支撑电容200 F，输出电压基波频率50 Hz。

设定光照强度为1000 W/m2，温度为25 ℃，首先以平稳工况运行对PV 输出功率与直流母线电压进行观测。仿真结果如图11 所示。

图11 平稳工况下光伏模块输出以及直流母线波形

图12为恒温变光照强度下的光伏输出功率以及直流母线电压，在测试开始时先采用1000 W/m2进行实验，在实验进行过程中分别改变光照强度为900 W/m2、800 W/m2，最终调整回1000 W/m2，由测得波形可知在频繁变换光照强度的情况下，直流母线仍保持在稳定范围，在最后光照强度突然由800 W/m2升为1000 W/m2的过程中虽然直流母线电压发生些许波动，但仍在可接受范围。光伏模块采用电导增量法控制效果也满足设计要求，在变化的光照强度下，光伏模块始终维持稳定功率。

图12 变光照强度工况下光伏模块输出以及直流母线波形

图13为稳定光照强度，变温工况下的光伏输出功率以及直流母线电压，在测试开始时先采用25 ℃进行实验，在实验进行过程中分别改变环境温度为25 ℃、15 ℃。由测得波形可知在逐渐变温的情况下，直流母线仍保持在稳定范围。

图13 变温工况下光伏模块输出以及直流母线波形

4 结束语

本文对应用于光- 储双级式PCS 的前级光伏模块进行了研究，首先介绍了光伏发电的工作原理，然后对光伏电池进行建模测得光伏发电对外输出特性，最后对光伏发电中两种最大功率跟踪的控制策略进行研究，分析原理并对比其特点。得出电导增量法不仅实现了在不同工况下的最大功率跟踪，也使得直流母线电压更加平滑，同时获得更大的电压宽度，通过实验验证了这种控制策略的正确性和有效性。