基于MPPT算法的光伏发电并网系统仿真研究

作者 刘继传 刘武斌 邓佳康 阳鹏飞 湖南工业大学电气与信息工程学院 (湖南 株洲 412000)

　　刘继传，男，1993年12月出生于湖南省武冈市，湖南工工业大学在读硕士研究生，电气工程专业。现主要研究方向是新能源光伏发电、并网逆变器和轨道交通自动化与控制。刘武斌，湖南工业大学，硕士研究生。邓佳康，湖南工业大学，硕士研究生。阳鹏飞，湖南工业大学，硕士研究生。

摘要：近年来光伏发电发展快速，分布范围广泛，可有效地缓和能源短缺的问题。但光伏发电及并网技术还不完善，光伏发电存在利用效率低、并网后对电网稳定运行影响较大。针对此现象，本文基于MATLAB软件平台建立了两级式太阳能光伏并网系统的仿真模型，前级升压斩波电路^[1]运用电导增量法^[2](BOOST)对电池最大功率点进行跟踪;并对后级并网逆变器的控制策略进行了研究，同时仿真了在光伏电池输出电压发生变化的情况下，后级逆变器的响应特性，最后对单相两级式光伏并网系统的工作特性进行了分析。

0 引言

　　随着人类社会文明的不断发展与进步，随之而来的是巨大的能源需求和消耗，大力开发利用可再生洁净能源，是解决能源问题实现可持续发展唯一出路。太阳能光伏发电^[3]具有清洁无污染、源源不断等优点，未来太阳能发电将会在供电系统中占有相当重要地位。目前太阳能光伏发电主要问题是光伏电池输出功率的不稳定，比如光照强度和温度的变化会导致电池的输出电流与电压的变化，从而引起功率的变化。为了让光伏电池的运行效率达到最大值，需要利用MPPT算法跟踪最大功率点^[4]，使光伏电池始终能够输出最大功率。

　　针对目前光伏发电并网系统仿真模型参数较多、数据计算复杂等问题，本文提出一种基于Matlab/Simulink带有MPPT算法的光伏发电并网仿真模型，该模型考虑了环境温度、光照强度、光伏阵列串并连数、光伏模块参数对I-V特性、逆变并网对电网的影响。使光伏电池始终工作在最大功率点，弥补了以前光伏发电并网模型不能反映环境变化导致运行状态的瞬态变化以及这种变化对电网的影响，提高了光伏电池的运行效率。

1 光伏电池仿真模型的建立

　　光伏电池是利用光伏效应将光能转化为电能。太阳光照在半导体PN结上，光生电场会使空穴和自由电子发生偏移，分别聚集在半导体的两端，由于空穴带正电，自由电子带负电，两极间产生电势差，接通电路加入负载后可形成电流，太阳能因此被转化为电能，有效的利用起来^[5]。同时光伏电池的工作效率极易受到环境的干扰，由此建立光伏电池数学模型进行深入研究，来解决光伏电池效率不高的问题。在不同光照强度下光伏电池的伏安特性如图1所示，从图中可看出光伏电池的短路电流、开路电压大小均受光照强度影响，开路电流与辐照度近似呈正比关系。光伏电池等效电路由光生电流源及一系列电阻(内部并联电阻Rsh和串联电阻Rs)组成，如图2所示。

　　光伏电池等效电路输出电流大小：

(1)

　　式中，I为光伏电池的输出电流;I_ph为光生电流;I_d为流过二极管的电流;I_sh为流过内部并

　　联电阻Rsh的电流。

　　标准情况下一般取 S=1000w/m²，T=25℃作为光照强度和电池温度的参考值。当光照强度及电池温度不是参考值时,导致最大功率点发生偏移，需要重新建立数学模型计算出新的参数值。假设I_sc为短路电流，V_oc为开路电压，最大功率点处的电压电流分别为V_m、I_m。在任意光照强度S和任意环境温度T下，当光伏电池输出电压为V时，其对应的电流为I：

(2)

C₁、C₂分别是：

(3)

(4)

　　通过 Matlab/Simulink软件构建光伏电池模型，其内部结构仿真如图3所示。

2 基于BOOST电路的MPPT算法模型的建立

　　由于光伏电池输出功率主要取决于入射光线的强度与环境温度，而实际情况下光照强度和温度是瞬时变化的，为了提高光伏电池的工作效率，需要对其最大功率点进行追踪。光伏电池在不同光照强度下的功率-电压特性曲线如图4所示，可看出光伏电池在某一工作点处输出最大功率，最大功率值随辐照度增强而增大。光伏电池在不同温度下的功率-电压特性曲线如图5所示，从图中可以看出最大功率点随温度的降低而增大。

　　在双级式光伏发电并网系统中，一般采用DC/DC控制环节完成最大功率控制的任务，通过调节DC/DC变换器的控制脉冲占空比，改变DC/DC环节的输出电压，相当于调节光伏组件输出侧的等效负载的大小，使负载侧等效阻抗与光伏电池组件在该环境条件下工作于最大功率点时对应的阻抗大小相同，达到让电池组件处于最大功率点工作状态的目的。常用的最大功率点追踪方法中，电导增量法具有良好的控制效果，可以以此作为MPPT算法的研究基础，在此方法上加以改进。双级式光伏并网结构图如图6所示。从图中可以看出将光伏电池发出的电能通过BOOST电路升压，再逆变并入电网。

　　当光伏列阵工作在任意温度和光照强度下，可以得到功率为：

(5)

　　其中，DV、DI是在标准参考条件下，由参考温度系数、光照强度、材料和光伏列阵的串并联方式共同决定。根据极值法可得，当dp/dv= 0时，P取最大值。

(6)

　　令=0，即可求得V_m。式(6)是微分方程，可采用平行弦法进行迭代求解，得到最大功率点出的电压V_m：

(7)

　　当为迭代精度，V_k为第k次迭代值，V_k+1为第k+1次迭代值，V_o为首次采样电压。应用此算法，寻找最大功率点，简单高效，可以避免大量重复计算，减少了计算的复杂度。MPPT算法内部结构模型如图7所示。

3 逆变并网控制方法

　　目前并网逆变器的控制器是研究的重点，特别是在大量分布式能源并网的情况下，对控制器的要求更高，减少分布式能源的接入给电网带来的影响。本文中的并网逆变器采用闭环控制方式。目的是为了控制逆变器输输出端电压稳定且使并网逆变器的输出电流与电网电压同频、同相，输送到电网的功率因数近似为1。并网逆变器内部结构框图如图8所示。以电网电压作为控制量，采用PI调节器控制PWM控制信号，控制逆变器输出电压值，使其与电网电压同步。

4 仿真结果分析

　　通过使用MATLAB仿真软件建立仿真模型，太阳能电池仿真模型如图9所示。设置环境温度为25 ℃，光照强度设置为从1000 W/m² 变化至600 W/m² ，仿真时间设置为0.5 S。

　　光伏电池输出电压如图10所示，可以看到，当光照强度下降时，输出电压也会下降，而且变化时由于电池结构复杂，它的输出电压不能平稳变化，电压幅值变化较大，如果直接并网，将会严重破坏电网电能质量。在使用MPPT算法之后，使电池始终工作在最大功率点，输出电压如图11所示。在外界环境变化时，它的输出电压能保持平稳变化，不会产生电压幅值变化过大的情况，既保证了电池工作效率，也提升了电能质量。

　　将光伏电池的输出电压通过DC/DC升压电路升压至电网电压220 V，再经过逆变电路逆变为交流电压并入电网。输出电压如图12所示。

　　从图中可以看出升压后通过大电容稳压，电压基本维持在直流220 V，波动较小。经过PWM逆变电路后，每个周期为0.02 s，交流电压幅值是220 V，逆变器产生的谐波含量少，对电网的影响较少，相位、峰值基本和电网电压保持一致。当外界环境变化时，输出电压也能维持稳定。

5 结论

　　本文建立了光伏电池的仿真模型，运用单相两级式并网技术搭建了并网仿真系统。在前级BOOST电路中运用了MPPT算法，通过调节触发信号的占空比，调节负载侧的等效负载，追踪光伏列阵的最大功率点。逆变器采用的是全桥逆变电路，采用PWM脉冲作为控制器的触发信号。实现了逆变器对电网电压同步追踪，满足并网要求。特别是在应对环境变化时，此系统有良好同步电网的性能，保证输出电压的稳定性，有很好的实用性。

　　参考文献:

　　[1]朱鹏程, 郭卫农, 陈坚. 升压斩波电路PI和 PID调节器的优化设计[J]. 电力电子技术, 2001, 35(4): 28-31.

　　[2]张润坤. 含分布式光伏电源的配电网继电保护研究[D]. 南京理工大学, 2017.

　　[3]孔凡太, 戴松元. 我国太阳能光伏产业现状及未来展望[J]. 中国工程科学, 2016, 18(4): 51-54.

　　[4]汪石农, 陈其工, 高文根. 基于直线近似和扰动观察的 MPPT 算法研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2016, 30(6): 945-950.

　　[5]Mei Q, Shan M, Liu L, et al. A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT

　　method for PV systems[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 2011, 58(6): 2427-2434.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第72页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。