基于MPPT算法的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究

作者 劉繼傳 劉武斌 鄧佳康 陽鵬飛 湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 (湖南 株洲 412000)

　　劉繼傳，男，1993年12月出生于湖南省武岡市，湖南工工業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生，電氣工程專業(yè)?，F(xiàn)主要研究方向是新能源光伏發(fā)電、并網(wǎng)逆變器和軌道交通自動(dòng)化與控制。劉武斌，湖南工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。鄧佳康，湖南工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。陽鵬飛，湖南工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。

摘要：近年來光伏發(fā)電發(fā)展快速，分布范圍廣泛，可有效地緩和能源短缺的問題。但光伏發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)還不完善，光伏發(fā)電存在利用效率低、并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較大。針對(duì)此現(xiàn)象，本文基于MATLAB軟件平臺(tái)建立了兩級(jí)式太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，前級(jí)升壓斬波電路^[1]運(yùn)用電導(dǎo)增量法^[2](BOOST)對(duì)電池最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤;并對(duì)后級(jí)并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行了研究，同時(shí)仿真了在光伏電池輸出電壓發(fā)生變化的情況下，后級(jí)逆變器的響應(yīng)特性，最后對(duì)單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行了分析。

0 引言

　　隨著人類社會(huì)文明的不斷發(fā)展與進(jìn)步，隨之而來的是巨大的能源需求和消耗，大力開發(fā)利用可再生潔凈能源，是解決能源問題實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展唯一出路。太陽能光伏發(fā)電^[3]具有清潔無污染、源源不斷等優(yōu)點(diǎn)，未來太陽能發(fā)電將會(huì)在供電系統(tǒng)中占有相當(dāng)重要地位。目前太陽能光伏發(fā)電主要問題是光伏電池輸出功率的不穩(wěn)定，比如光照強(qiáng)度和溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電池的輸出電流與電壓的變化，從而引起功率的變化。為了讓光伏電池的運(yùn)行效率達(dá)到最大值，需要利用MPPT算法跟蹤最大功率點(diǎn)^[4]，使光伏電池始終能夠輸出最大功率。

　　針對(duì)目前光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型參數(shù)較多、數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜等問題，本文提出一種基于Matlab/Simulink帶有MPPT算法的光伏發(fā)電并網(wǎng)仿真模型，該模型考慮了環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、光伏陣列串并連數(shù)、光伏模塊參數(shù)對(duì)I-V特性、逆變并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響。使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)，彌補(bǔ)了以前光伏發(fā)電并網(wǎng)模型不能反映環(huán)境變化導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)的瞬態(tài)變化以及這種變化對(duì)電網(wǎng)的影響，提高了光伏電池的運(yùn)行效率。

1 光伏電池仿真模型的建立

　　光伏電池是利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。太陽光照在半導(dǎo)體PN結(jié)上，光生電場(chǎng)會(huì)使空穴和自由電子發(fā)生偏移，分別聚集在半導(dǎo)體的兩端，由于空穴帶正電，自由電子帶負(fù)電，兩極間產(chǎn)生電勢(shì)差，接通電路加入負(fù)載后可形成電流，太陽能因此被轉(zhuǎn)化為電能，有效的利用起來^[5]。同時(shí)光伏電池的工作效率極易受到環(huán)境的干擾，由此建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型進(jìn)行深入研究，來解決光伏電池效率不高的問題。在不同光照強(qiáng)度下光伏電池的伏安特性如圖1所示，從圖中可看出光伏電池的短路電流、開路電壓大小均受光照強(qiáng)度影響，開路電流與輻照度近似呈正比關(guān)系。光伏電池等效電路由光生電流源及一系列電阻(內(nèi)部并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs)組成，如圖2所示。

　　光伏電池等效電路輸出電流大小：

(1)

　　式中，I為光伏電池的輸出電流;I_ph為光生電流;I_d為流過二極管的電流;I_sh為流過內(nèi)部并

　　聯(lián)電阻Rsh的電流。

　　標(biāo)準(zhǔn)情況下一般取 S=1000w/m²，T=25℃作為光照強(qiáng)度和電池溫度的參考值。當(dāng)光照強(qiáng)度及電池溫度不是參考值時(shí),導(dǎo)致最大功率點(diǎn)發(fā)生偏移，需要重新建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算出新的參數(shù)值。假設(shè)I_sc為短路電流，V_oc為開路電壓，最大功率點(diǎn)處的電壓電流分別為V_m、I_m。在任意光照強(qiáng)度S和任意環(huán)境溫度T下，當(dāng)光伏電池輸出電壓為V時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電流為I：

(2)

C₁、C₂分別是：

(3)

(4)

　　通過 Matlab/Simulink軟件構(gòu)建光伏電池模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真如圖3所示。

2 基于BOOST電路的MPPT算法模型的建立

　　由于光伏電池輸出功率主要取決于入射光線的強(qiáng)度與環(huán)境溫度，而實(shí)際情況下光照強(qiáng)度和溫度是瞬時(shí)變化的，為了提高光伏電池的工作效率，需要對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的功率-電壓特性曲線如圖4所示，可看出光伏電池在某一工作點(diǎn)處輸出最大功率，最大功率值隨輻照度增強(qiáng)而增大。光伏電池在不同溫度下的功率-電壓特性曲線如圖5所示，從圖中可以看出最大功率點(diǎn)隨溫度的降低而增大。

　　在雙級(jí)式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中，一般采用DC/DC控制環(huán)節(jié)完成最大功率控制的任務(wù)，通過調(diào)節(jié)DC/DC變換器的控制脈沖占空比，改變DC/DC環(huán)節(jié)的輸出電壓，相當(dāng)于調(diào)節(jié)光伏組件輸出側(cè)的等效負(fù)載的大小，使負(fù)載側(cè)等效阻抗與光伏電池組件在該環(huán)境條件下工作于最大功率點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的阻抗大小相同，達(dá)到讓電池組件處于最大功率點(diǎn)工作狀態(tài)的目的。常用的最大功率點(diǎn)追蹤方法中，電導(dǎo)增量法具有良好的控制效果，可以以此作為MPPT算法的研究基礎(chǔ)，在此方法上加以改進(jìn)。雙級(jí)式光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。從圖中可以看出將光伏電池發(fā)出的電能通過BOOST電路升壓，再逆變并入電網(wǎng)。

　　當(dāng)光伏列陣工作在任意溫度和光照強(qiáng)度下，可以得到功率為：

(5)

　　其中，DV、DI是在標(biāo)準(zhǔn)參考條件下，由參考溫度系數(shù)、光照強(qiáng)度、材料和光伏列陣的串并聯(lián)方式共同決定。根據(jù)極值法可得，當(dāng)dp/dv= 0時(shí)，P取最大值。

(6)

　　令=0，即可求得V_m。式(6)是微分方程，可采用平行弦法進(jìn)行迭代求解，得到最大功率點(diǎn)出的電壓V_m：

(7)

　　當(dāng)為迭代精度，V_k為第k次迭代值，V_k+1為第k+1次迭代值，V_o為首次采樣電壓。應(yīng)用此算法，尋找最大功率點(diǎn)，簡(jiǎn)單高效，可以避免大量重復(fù)計(jì)算，減少了計(jì)算的復(fù)雜度。MPPT算法內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

3 逆變并網(wǎng)控制方法

　　目前并網(wǎng)逆變器的控制器是研究的重點(diǎn)，特別是在大量分布式能源并網(wǎng)的情況下，對(duì)控制器的要求更高，減少分布式能源的接入給電網(wǎng)帶來的影響。本文中的并網(wǎng)逆變器采用閉環(huán)控制方式。目的是為了控制逆變器輸輸出端電壓穩(wěn)定且使并網(wǎng)逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，輸送到電網(wǎng)的功率因數(shù)近似為1。并網(wǎng)逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。以電網(wǎng)電壓作為控制量，采用PI調(diào)節(jié)器控制PWM控制信號(hào)，控制逆變器輸出電壓值，使其與電網(wǎng)電壓同步。

4 仿真結(jié)果分析

　　通過使用MATLAB仿真軟件建立仿真模型，太陽能電池仿真模型如圖9所示。設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度設(shè)置為從1000 W/m² 變化至600 W/m² ，仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 S。

　　光伏電池輸出電壓如圖10所示，可以看到，當(dāng)光照強(qiáng)度下降時(shí)，輸出電壓也會(huì)下降，而且變化時(shí)由于電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的輸出電壓不能平穩(wěn)變化，電壓幅值變化較大，如果直接并網(wǎng)，將會(huì)嚴(yán)重破壞電網(wǎng)電能質(zhì)量。在使用MPPT算法之后，使電池始終工作在最大功率點(diǎn)，輸出電壓如圖11所示。在外界環(huán)境變化時(shí)，它的輸出電壓能保持平穩(wěn)變化，不會(huì)產(chǎn)生電壓幅值變化過大的情況，既保證了電池工作效率，也提升了電能質(zhì)量。

　　將光伏電池的輸出電壓通過DC/DC升壓電路升壓至電網(wǎng)電壓220 V，再經(jīng)過逆變電路逆變?yōu)榻涣麟妷翰⑷腚娋W(wǎng)。輸出電壓如圖12所示。

　　從圖中可以看出升壓后通過大電容穩(wěn)壓，電壓基本維持在直流220 V，波動(dòng)較小。經(jīng)過PWM逆變電路后，每個(gè)周期為0.02 s，交流電壓幅值是220 V，逆變器產(chǎn)生的諧波含量少，對(duì)電網(wǎng)的影響較少，相位、峰值基本和電網(wǎng)電壓保持一致。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，輸出電壓也能維持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

　　本文建立了光伏電池的仿真模型，運(yùn)用單相兩級(jí)式并網(wǎng)技術(shù)搭建了并網(wǎng)仿真系統(tǒng)。在前級(jí)BOOST電路中運(yùn)用了MPPT算法，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)信號(hào)的占空比，調(diào)節(jié)負(fù)載側(cè)的等效負(fù)載，追蹤光伏列陣的最大功率點(diǎn)。逆變器采用的是全橋逆變電路，采用PWM脈沖作為控制器的觸發(fā)信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓同步追蹤，滿足并網(wǎng)要求。特別是在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化時(shí)，此系統(tǒng)有良好同步電網(wǎng)的性能，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，有很好的實(shí)用性。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第72頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。