基于MPPT算法的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統仿真研究

作者 劉繼傳 劉武斌 鄧佳康 陽(yáng)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(zhuān)業(yè)?，F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(yáng)鵬飛，湖南工業(yè)大學(xué)，碩士研究生。

摘要：近年來(lái)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(wèn)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)后對電網(wǎng)穩定運行影響較大。針對此現象，本文基于MATLAB軟件平臺建立了兩級式太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)系統的仿真模型，前級升壓斬波電路^[1]運用電導增量法^[2](BOOST)對電池最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤;并對后級并網(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，后級逆變器的響應特性，最后對單相兩級式光伏并網(wǎng)系統的工作特性進(jìn)行了分析。

0 引言

　　隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )文明的不斷發(fā)展與進(jìn)步，隨之而來(lái)的是巨大的能源需求和消耗，大力開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源，是解決能源問(wèn)題實(shí)現可持續發(fā)展唯一出路。太陽(yáng)能光伏發(fā)電^[3]具有清潔無(wú)污染、源源不斷等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)太陽(yáng)能發(fā)電將會(huì )在供電系統中占有相當重要地位。目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要問(wèn)題是光伏電池輸出功率的不穩定，比如光照強度和溫度的變化會(huì )導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行效率達到最大值，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。

　　針對目前光伏發(fā)電并網(wǎng)系統仿真模型參數較多、數據計算復雜等問(wèn)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、光照強度、光伏陣列串并連數、光伏模塊參數對I-V特性、逆變并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響。使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)，彌補了以前光伏發(fā)電并網(wǎng)模型不能反映環(huán)境變化導致運行狀態(tài)的瞬態(tài)變化以及這種變化對電網(wǎng)的影響，提高了光伏電池的運行效率。

1 光伏電池仿真模型的建立

　　光伏電池是利用光伏效應將光能轉化為電能。太陽(yáng)光照在半導體PN結上，光生電場(chǎng)會(huì )使空穴和自由電子發(fā)生偏移，分別聚集在半導體的兩端，由于空穴帶正電，自由電子帶負電，兩極間產(chǎn)生電勢差，接通電路加入負載后可形成電流，太陽(yáng)能因此被轉化為電能，有效的利用起來(lái)^[5]。同時(shí)光伏電池的工作效率極易受到環(huán)境的干擾，由此建立光伏電池數學(xué)模型進(jìn)行深入研究，來(lái)解決光伏電池效率不高的問(wèn)題。在不同光照強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(kāi)路電壓大小均受光照強度影響，開(kāi)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?。?/p>

(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(guò)二極管的電流;I_sh為流過(guò)內部并

　　聯(lián)電阻Rsh的電流。

　　標準情況下一般取 S=1000w/m²，T=25℃作為光照強度和電池溫度的參考值。當光照強度及電池溫度不是參考值時(shí),導致最大功率點(diǎn)發(fā)生偏移，需要重新建立數學(xué)模型計算出新的參數值。假設I_sc為短路電流，V_oc為開(kāi)路電壓，最大功率點(diǎn)處的電壓電流分別為V_m、I_m。在任意光照強度S和任意環(huán)境溫度T下，當光伏電池輸出電壓為V時(shí)，其對應的電流為I：

(2)

C₁、C₂分別是：

(3)

(4)

　　通過(guò) Matlab/Simulink軟件構建光伏電池模型，其內部結構仿真如圖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(xiàn)的強度與環(huán)境溫度，而實(shí)際情況下光照強度和溫度是瞬時(shí)變化的，為了提高光伏電池的工作效率，需要對其最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤。光伏電池在不同光照強度下的功率-電壓特性曲線(xiàn)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而增大。光伏電池在不同溫度下的功率-電壓特性曲線(xiàn)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。

　　在雙級式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統中，一般采用DC/DC控制環(huán)節完成最大功率控制的任務(wù)，通過(guò)調節DC/DC變換器的控制脈沖占空比，改變DC/DC環(huán)節的輸出電壓，相當于調節光伏組件輸出側的等效負載的大小，使負載側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)對應的阻抗大小相同，達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，在此方法上加以改進(jìn)。雙級式光伏并網(wǎng)結構圖如圖6所示。從圖中可以看出將光伏電池發(fā)出的電能通過(guò)BOOST電路升壓，再逆變并入電網(wǎng)。

　　當光伏列陣工作在任意溫度和光照強度下，可以得到功率為：

(5)

　　其中，DV、DI是在標準參考條件下，由參考溫度系數、光照強度、材料和光伏列陣的串并聯(lián)方式共同決定。根據極值法可得，當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，可以避免大量重復計算，減少了計算的復雜度。MPPT算法內部結構模型如圖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，對控制器的要求更高，減少分布式能源的接入給電網(wǎng)帶來(lái)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)的功率因數近似為1。并網(wǎng)逆變器內部結構框圖如圖8所示。以電網(wǎng)電壓作為控制量，采用PI調節器控制PWM控制信號，控制逆變器輸出電壓值，使其與電網(wǎng)電壓同步。

4 仿真結果分析

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

　　光伏電池輸出電壓如圖10所示，可以看到，當光照強度下降時(shí)，輸出電壓也會(huì )下降，而且變化時(shí)由于電池結構復雜，它的輸出電壓不能平穩變化，電壓幅值變化較大，如果直接并網(wǎng)，將會(huì )嚴重破壞電網(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變化，不會(huì )產(chǎn)生電壓幅值變化過(guò)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(guò)DC/DC升壓電路升壓至電網(wǎng)電壓220 V，再經(jīng)過(guò)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(guò)大電容穩壓，電壓基本維持在直流220 V，波動(dòng)較小。經(jīng)過(guò)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。當外界環(huán)境變化時(shí)，輸出電壓也能維持穩定。

5 結論

　　本文建立了光伏電池的仿真模型，運用單相兩級式并網(wǎng)技術(shù)搭建了并網(wǎng)仿真系統。在前級BOOST電路中運用了MPPT算法，通過(guò)調節觸發(fā)信號的占空比，調節負載側的等效負載，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。實(shí)現了逆變器對電網(wǎng)電壓同步追蹤，滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。特別是在應對環(huán)境變化時(shí)，此系統有良好同步電網(wǎng)的性能，保證輸出電壓的穩定性，有很好的實(shí)用性。

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