郭天勇，陳 晨

（南開大學(xué) 計算機與控制工程學(xué)院，天津 300071）

作為一種可再生能源，太陽能的發(fā)展及應(yīng)用遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，針對光伏電站在實際研究中受到外界條件的制約，基于軟硬件的光伏電池模型研究已經(jīng)比較成熟，最大功率點跟蹤算法也是研究的熱點，主要集中在擾動觀察法[1-2]、電導(dǎo)增量法[3-4]及各種改進(jìn)的算法[5-6]，目的是降低輸出功率在峰值處的波動及提高跟蹤的響應(yīng)速度。

本文基于Matlab/Simulink搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并利用GUI建立可視化界面，利用該模型可方便地進(jìn)行最大功率點跟蹤、逆變控制系統(tǒng)等算法的驗證。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit diagram of system

該系統(tǒng)主要包括：光伏電池模型、DC/DC拓?fù)?、逆變電路和控制系統(tǒng)，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，DC/DC采用的是SEPIC拓?fù)洌孀冸娐凡捎脝蜗郒橋結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)采用的是DSP，并網(wǎng)端有K1和K22個開關(guān)，主要是保證關(guān)鍵負(fù)載R2的不間斷供電。

2 光伏電池模型

光伏電池主要是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，它的等效電路如圖2所示[7]。

圖2 光伏電池等效模型Fig.2 PV cell equivalent model

其中，Iph為光生電流；Id為二極管結(jié)電流；Cj為結(jié)電容（可忽略）；Rsh為并聯(lián)電阻，它的阻值數(shù)量級為103Ω；RS為串聯(lián)電阻，阻值小于1 Ω；I為電池模型輸出電流；U為電池模型輸出電壓。

利用該電路進(jìn)行分析得到的電流解析式，常用在理論分析中，而在實際工程電路中，通常對其進(jìn)行簡化，在考慮太陽日照強度和太陽溫度影響時[8-9]，工程中常用的光伏陣列I-U方程為

其中，

式中：α為參考日照下電流變化溫度系數(shù)，（A/℃）；β為參考日照下電壓變化溫度系數(shù)，（V/℃）；R為太陽能電池上的日照強度；Rref為日照強度參考值，通常為1000 W/m2；Tc為太陽能電池溫度；Tref為溫度參考值，通常為25℃；T為環(huán)境溫度；tc為太陽能電池溫度系數(shù)。

結(jié)合光伏電池實際參數(shù)及式（1）和式（2），可建立基于Matlab的光伏電池模型，其外部封裝如圖3所示，該模型已廣泛應(yīng)用在光伏電池的理論研究中。

圖3 光伏電池封裝模型Fig.3 Packaging model of solar cell

3 DC/DC拓?fù)浼白畲蠊β庶c跟蹤

鑒于SEPIC拓?fù)涞奶攸c，本文利用Sim Power Systems庫中的分離元件搭建了該電路拓?fù)?，具體可參考圖1。該拓?fù)涓鶕?jù)占空比的不同可實現(xiàn)升降壓，擴大了光伏最大功率點跟蹤的電壓調(diào)節(jié)范圍。

圖4是利用圖3所示的光伏電池模型在不同條件下得到的I-U和P-U特性曲線，圖4（a）是一個雙縱坐標(biāo)的輸出曲線，其中上邊的曲線對應(yīng)左側(cè)的縱坐標(biāo)是電流，下邊的曲線對應(yīng)右側(cè)的縱坐標(biāo)是功率，橫坐標(biāo)是電壓。從中可以看出，外界條件變化時，電流與電壓均發(fā)生變化，變化幅度較大的是電壓信號。圖4（b）是不同外界條件及條件變化時的P-U曲線，由于輸出電壓不會突變，當(dāng)外界條件穩(wěn)定的時候，即輸出功率在一條曲線上移動時，最大功率點跟蹤比較容易。而當(dāng)外界條件發(fā)生變化，即輸出功率不在一條曲線上變化時，最大功率點跟蹤相對要復(fù)雜些，而在實際情況中，此種情況占大多數(shù)。此時變化如圖4（b）所示，在電壓保持不變時，輸出功率從一條曲線跳轉(zhuǎn)到另一條曲線上。

圖4 不同條件下的I-U和P-U特性曲線Fig.4 I-U and P-U characteristics curves in different conditions

本文將二分法引入到擾動觀察法中，與傳統(tǒng)擾動觀察法的主要區(qū)別在于其擾動的步長是可以改變的，此種方式可以有效地提高最大功率跟蹤的響應(yīng)速度并降低擾動量。假定初始步長設(shè)為Δd，該值要比傳統(tǒng)的步長稍大些，目的是為了快速找到功率變化的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)功率變化量改變方向時，將步長變?yōu)槌跏嫉囊话爰处/2，再繼續(xù)擾動，為了防止頻繁的擾動，設(shè)置了一個誤差允許范圍，當(dāng)功率變化量落在該范圍時，停止擾動，系統(tǒng)正常運行；當(dāng)功率變化量突然變大時，再次將步長恢復(fù)到初始值Δd，并繼續(xù)擾動以找到新的最大功率輸出點。具體流程如圖5所示。

圖5 變步長擾動觀察法Fig.5 Variable step perturbation and observation method

圖中：Δmin為設(shè)置的功率變化最小值；Δd為擾動步長，它對應(yīng)的電壓變化量為ΔU2，Δd/2對應(yīng)的電壓變化量為ΔU1，其中d是開關(guān)管的導(dǎo)通占空比，結(jié)合本文的實際電路，主要是通過控制開關(guān)管SPU實現(xiàn)光伏陣列的最大功率點跟蹤。

4 逆變電路及控制策略

逆變電路采用H橋結(jié)構(gòu)，如圖1所示，需要注意的是要防止同一橋臂上的2個開關(guān)管同時導(dǎo)通，即預(yù)防開關(guān)管因過流而損壞，此時需要加入死區(qū)時間，開關(guān)管通常采用IGBT，其驅(qū)動采用SVPWM信號[10]。

為了保證輸出電壓的幅值和頻率滿足并網(wǎng)需求，采用雙閉環(huán)的控制策略，系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，內(nèi)部采用并網(wǎng)電流環(huán)，其相位與電網(wǎng)電壓相位同步，而其幅度則由外環(huán)決定；外部采用母線電壓環(huán)，主要作用是獲得穩(wěn)定的直流母線電壓，保證系統(tǒng)的可靠運行。而當(dāng)系統(tǒng)獨立運行時，即系統(tǒng)輸出不滿足并網(wǎng)條件或者電網(wǎng)停止供電時，只要輸出電壓滿足負(fù)載需求即可，不需考慮與電網(wǎng)相位同步。

5 虛擬平臺的搭建

利用Matlab GUI搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的虛擬平臺，利用Simulink進(jìn)行模型的搭建，系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 光伏并網(wǎng)發(fā)電框圖Fig.6 Block diagram of PU grid-connected generation

Matlab仿真模型如圖7所示，最左側(cè)的是前面提到的光伏電池模型，通過編程可以在某個時刻改變外界條件，使其輸出功率發(fā)生變化，控制器根據(jù)檢測到的信號利用基于二分法的擾動觀察法進(jìn)行最大功率點跟蹤，實驗結(jié)果比較理想，能快速有效地實現(xiàn)最大功率點跟蹤，如圖8所示，中間的變化曲線是最大功率跟蹤仿真曲線。

6 結(jié)語

利用Matlab GUI軟件搭建了光伏發(fā)電虛擬平臺，結(jié)合天氣預(yù)報可利用編程實現(xiàn)外界條件的設(shè)定，同時結(jié)合實際的外界環(huán)境監(jiān)測可及時地進(jìn)行功率輸出預(yù)測，從而進(jìn)行預(yù)判斷，同時利用該模型還可以進(jìn)行并網(wǎng)控制算法的研究，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。

圖7 光伏并網(wǎng)發(fā)電模型Fig.7 Model of PU grid-connected generation

圖8 最大功率跟蹤仿真曲線Fig.8 Simulation curves of maximum power point tracking

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