单级式光伏并网发电系统的仿真分析

问题，Ａ取０．０３３，比熹的计算值小许多…。 ，ｉ＾』
．－－一２４６．．——
图４光伏电池Ｉ—Ｕ曲线
图５光伏电池Ｐ—Ｕ曲线
由图可知，在光照变化的情况下，最大功率点也随之发 生变化。在工程上，通常采用ｃｖｒ（恒定电压控制）和ＭＰＰＴ （最大功率点控制）两种控制策略来选取系统的功率点。 ＣＶＴ控制通过将光伏阵列端电压稳定于某一个值的方法，确 定系统功率点。这种策略的优点是控制简单，系统稳定性 好。但在光照温度变化较大的情况下，ＣＶＴ控制下的光伏阵
ｄｌ／ｄＵ＋Ｉ／Ｕ＝０
（４）
因此，导纳的增量可以决定是否已经达到最大功率点，
从而在该点处停止对工作点的扰动。这就避免了在ＭＰＰＴ左 右振荡，且能做到快速跟踪。如果条件不成立，肘ＰＰ丁工作点 扰动方向可以通过比较ｄｌ／ｄＵ＋Ｉ／Ｕ和０的关系来计算。
实际实现该方法的软件算法如图９所示流程图描述。每 个采样周期对光伏电池输出电压和输出电流进行采样， Ｕ（ｋ）和，（ｋ）分别为第ｋ个采样点的光伏输出电压和电流， ｄＵ＝Ｕ（＆）一Ｕ（ｋ一１），ｄｌ＝，（矗）一，（ｋ—１），却＝Ｐ（＿｜｝） 一Ｐ（％一１），Ｐ（ｋ）＝Ｕ（｜｜｝）·，（七）。ｋ和矾分别为产生ＳＰＷＭ
ｐａｃｋａｇｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｕｔｐｕｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ眦ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｓｏｌａｔｉｏｎ ａ弛ｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｌｎ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｈｉｓｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｏ咖ｄ ｗｉｔｈ ｈｉｓｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｔｏ鲥ｄ ｉｓ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｔｒ０１． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＰＶ ｃｅｌｌ；ＭＰＰＴ Ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
围８各级电流波形
载之间加入开关变换电路，利用开关变换电路对阻抗的变换
原理，使得负载的等效阻抗跟随光伏电池的输出阻抗，从而
使得光伏电池输出功率最大。而在本文所采用的仿
真模型中，通过改变输出ＳＰＷＭ脉冲宽度来调节系
统的输出阻抗（即改变与锯齿波比较的参考正弦波
的幅值），使得光伏电池的输出功率达到最大（图
１１）。目前常用的最大功率跟踪方法有旧１：１）功率
伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子一 空穴对经过分离而产生电动势的现象口Ｊ。光伏电池组件的Ｉ —Ｖ特性随日照强度Ｓ（ｋＷ／ｍ２）和电池温度ｔ（℃）而变化。 即Ｉ＝ｆ（Ｖ，Ｓ，ｔ）。根据电子学理论，当负载为纯电阻时，太阳 电池的实际等效电路如图２所示。
卜ｕＬｉ川 ‘
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的特定时间，存在电网向直流端回馈电流的情况，回馈电流 频率为两倍工频。回馈电流的存在对直流端电压和电流传 感器的干扰将导致ＭＰＰＴ控制失效。因此通过在电池和逆 变桥之间加前级抗干扰环节和在控制算法中利用数字滤波 算法以去除干扰。主电路仿真模型如图６所示。
图６前级抗干扰逆变桥和升压滤波模块 由于电池电压受光照强度的影响，而电网电压保持恒
对应的Ｉ—Ｖ函数如下：
，：＝，，ＬＬ一一，，ｏｏ（（ｅ。１『訾一－１）一半手 （１） 儿止
其中厶＝，ｏ（ｅ节一１）为二极管结电流（Ａ），厶为光
生电流（Ａ），厶为反向饱和电流（对于光伏单元而言，其数量 级为１０－４Ａ［３１），ｇ为电子电荷１．６斗１０。９Ｃ，Ｋ为玻耳兹曼常 数（１．３８·１０瑙Ｊ／Ｋ），Ｔ为绝对温度，Ａ为二极管品质因子 （当Ｔ＝３３０Ｋ时，约为２．８０－Ｉ－０据
列工作点将偏离最大功率点，导致功率损失。ＭＰＰＴ是通过 实时改变系统的工作状态，跟踪阵列的最大工作点，实现系 统的最大功率输出，但是不同的ＭＰＰＴ算法具有不同的动态 性能和稳定性。本文即采用改进的ＭＰＰＴ算法来实现较好 的动态性能和稳定性。
４功率主电路模块 仿真显示，由于电网电流存在回馈现象，即在一个周期
定性上的不足，文中改进了单级式光伏并网系统电路拓扑和适用于此拓扑的最大功率点跟踪算法，并通过在Ｍａｄａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
环境中搭建仿真模型，模拟系统在外部光照发生变化时的输出特性并对其进行验证和研究。仿真结果显示该系统能够高精
度地实现对光伏电池最大功率点的跟踪（ＭＰｌｒｒ），高效地通过逆变器将有功功率送入电网。且输入电网的无功功率可调。
关键词：光伏电池；最大功率点跟踪算法；并网逆变器；无功功率控制；仿真模型
中图分类号：ＴＭ ９２
文献标识码：Ａ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ——Ｓｔａｇｅ Ｇｒｉｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ
ＦＥＮＧ Ｈａｉ—ｆｅｎ９１，ＭＡ Ｄｅ一１ｉｎ２，ＸＵ Ｌｉａｎｇ—ｊｕｎｌ
系统总体结构如图１所示。
收稿日期：２００７－０１—２２修回日期：２００７—０２—１５
万方数据
·－－——２４５－－－——
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图１ 光伏并网逆变系统总体结构框图
３基于物理的光伏电池模块 光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光
Ｉｏｌａｒ
ｌ—ｌ
ｌｔＩ
Ｉ
Ｉ
一
图２光伏电池等效电路
图３光伏电池仿真框图
３．１ 光照变化时的光伏电池输出特性 当日照强度发生变化时，光伏电池输出特性也将发生变
化，因此在仿真中改变Ｅｔ照强度可以模拟此时光伏电池的输 出特性。图４和图５给出了当光照变化时光伏电池输出电压 电流特性曲线，自上到下分别为光照强度１ｋＷ／ｍ２，０． ８ｋＷ／ｍ２，０．６ ｋＷ／ｍ２；环境温度２９８Ｋ，器件温度３３０Ｋ，取Ｒ８ ＝２．２５Ｑ，Ｒ．ｂ＝５０００１１时的特性曲线。
—ｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ｄｒａｗｂａｃｋｓ ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＶ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｕｓｉｎｇ ｎｏｒｍａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｆｆｅｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ ｓｏｆｔｗａｒｅ
（１．Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ＢＵＰＴ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８７６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉａｍｅｎ Ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｘｉａｍｅｎ Ｆｕｊｉａｎ ３６１００９，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ肿ｍａｉｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ．Ｔｗｏ—ｌｅｖｅｌ
定，因此为了向电网供电，就必须将电压提高到大于电网电 压，所以在逆变器输出端加装升压变压器以达到此目的。同 时，通过电感，电容和变压器组成滤波环节，滤去输出波形中 的高次谐波，达到并网所需的要求。
枷瑚。瑚枷枷删。瑚枷
图７各级电压（Ｖ）波形
５控制模块 ５．１光伏电池最大功率点跟踪策略（ＭＰＰＴ）
根据上面部分的分析，当日照强度和环境温度变化时。 光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化，其输出功率也 随之改变。而且当光伏电池应用于不同的负载时，由于光伏 电池输出阻抗与负载阻抗不匹配，也使得光伏系统输出功率 降低。解决这一问题的有效办法是在光伏电池输出端与负
１ 引言 光伏并网发电技术是新能源领域最近十多年发展起来
的一个重要方向，它将光伏发电系统直接与电网相连，省掉 了体积大，易损耗的蓄电池；在城市中安装，光伏阵列可以实 现与建筑的一体化，节省安装成本；分散发电，就地使用，避 免了输配电损失，减少了温室气体的排放。因此，太阳能光 伏发电技术得到了持续的发展，分布式光伏并网发电已经成 为太阳能利用的主要方式之一。
受控电流源厶模拟光生电流（Ａ）： 屯＝２·５．４６·Ｓ｛（１＋Ｏ．００１宰（ｒ一死））Ｍ１ Ｓ为瞬间光 照强度（ｋＷ／ｍ２），Ｔ为环境温度，Ｔａ为光伏电池器件温度。 Ｉｄ模拟二极管结电流（Ａ）： Ｌ＝２木８·１０。４·（ｅｘｐ（Ｃ｝Ｕ）一１）Ｃ＝Ａ，为常量，由 光伏阵列决定。在组件模式中考虑个光伏单元的连接和等效
小，且能很好地防止对工作点的误判，在微处理器上实现也
较为简单。本文即采用了这一控制策略。
５．２前馈控制的变步长ＭＰＰＴ控制算法
根据光伏输出伏安特性曲线，在最大功率点处，必定有
ｄＰ／ｄＵ＝０，其中Ｐ为光伏输出功率，ｕ为输出电压。而作为电
源，其输出功率Ｐ＝Ｊ。Ｕ，其中，为输出电流。通过推导可以
认为，在最大功率点处，式（４）成立。
相比之下，单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变 换环节。因此系统具有简单的结构，较高的效率和稳定性。 但控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点，也要同时保 证对电网输出电流符合电网要求，使得相应的控制系统变的 比较复杂。
２光伏发电系统结构 为了克服两级式光伏并网系统存在的缺陷，本文采用了
一种无直流稳压的单级式光伏并网电路拓扑，以及适用于此 拓扑的最大功率点跟踪算法。系统采用前馈与反馈控制相 结合的方式…。ＳＰＷＭ发生器一方面要接受ＭＰＦＴ控制器 的信号，实现对光伏电池最大功率点的跟踪；另一方面则要 接受来自并网与无功功率控制器的信号，实现输出的ＳＰＷＭ 与电网电压波形相位的同步。分别控制组成逆变桥的４个 开关元件的通断。
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万方数据
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危害的扰动，让系统重新寻找最大功率点。 该算法利用Ｍａｔｌａｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中自带的Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｍａｔｌａｂ