宋梓豪

【摘要】    随着环境的污染与常规能源的短缺，各国相继把目光投向可再生能源，而太阳能凭借其无污染、储量足、便于开发的特点逐渐成为研究的重点。本文以单相光伏并网发电系统为研究对象，对光伏电池的光伏特性、Boost升压技术、最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）技术、逆变器控制技术展开了深入的研究。

【关键词】    光伏并网发电    光伏特性    MPPT    逆变

引言：

随着现如今全球经济的不断增长，中国的经济增长模式逐渐趋于多样化，在这个倡导“绿水青山就是金山银山”的时期，可持续发展成为了当今中国经济发展的主旋律，以光伏发电为代表的新能源利用方式正成为各国能源和环境可持续发展的突破点，在各类光伏发电中光伏并网发电由于其独特的优越性成为研究的重点。本文全面而系统地研究了光伏电池的输出特性、Boost升压电路、MPPT控制、逆变器控制技术。

一、光伏电池模型与仿真分析

对光伏电池的单指数模型进行相关假设和定义，可以得出简单的光伏电池的工程应用模型如式（1）：

考虑到实际情况中温度、光照变化的影响，对上述的简化工程实用模型进行修正。引入修正量ΔT、ΔS，将式（1）做以下修正：

其中公式推导中a、b、c为环境补偿系数，为各等式中的环境补偿系数，仿真过程中通过调整环境补偿系数a、b、c来减小模型的误差。根据修正后的光伏组件工程实用模型，在不同环境条件下对光伏组件的输出特性进行仿真分析：1.控制温度不变为26℃，光照強度分别取为1000W/m2、800W/m2、600W/m2和400W/m2，然后观察P-U曲线与I-U曲线。2.控制光照强度保持1000W/m2不变，温度分别取26℃、36℃、46℃、56℃，观察其P-U曲线与I-U曲线。由具体实验结果显示，光伏组件受光照因素的影响较大，光照强度越大，输出功率也越大，且输出功率的变化幅度比其受温度影响大，并且随着温度的升高，光伏组件的输出功率反而略微下降。

利用实验室资源，测试STP150S-24c/AC太阳能电池板在不同遮阴情况下的输出特性，分析其在无遮挡与两遮挡情况下的曲线拟合图，可以看出，局部阴影情况下，光伏组件的输出功率明显降低，与仿真效果类似，证明所选模型的准确性。

二、基于Boost电路的MPPT控制研究

首先，对Boost电路进行参数设计。主要包括电感L、输入端电容C1以及滤波电容的设计。电感L的参数设计主要在于临界连续电流的求取，并依此求出临界状态的电感值;在Boost电路稳定工作于电流连续状态时，可以求出电感纹波电流的峰值，利用输入端电容C1与电感相互传递能量进而可以求出C1;滤波电容的设计相对简单，选取足够大的电容即可保证较小的输出电压纹波以稳定电压输出。选取输入电压Ud=200V，要求提升输出电压至Uo=360V，同时负载电阻R=7Ω。取脉冲发生器的开关周期为T=0.01ms。经过计算结合实际电路选取电感值L=1mH，输出滤波电容C2=400μF[3]。在MATLAB中搭建模型如图1所示，仿真图如2所示。

由图2可以看出所搭建的电路经过Boost电路升压后符合最后电压达到360V的要求。

三、光伏并网逆变器控制策略的方法研究

光伏发电系统是将太阳能电池板吸收的光能通过光电效应初步转化为电能，再通过各种电力电子元器件经过整流、升降压等转换为谐波小且稳定的正弦交流电，最终并入电网的一套发电系统。光伏发电系统中逆变器需需满足以下控制目标：并网电流与电网电压同频同相，与此同时，还要求整个系统最大限度地将太阳能转化为电能，即时刻工作在最大功率点处。常用的为电压源电流控制的方式。下面将对逆变器的参数设计、控制方式作简要介绍。

首先，逆变器的参数设计主要包括滤波电感与直流母线电容的设计。滤波电感的设计要考虑到体积成本、控制要求以及最值的限制，在电感电压最大且电感纹波最大时L取得最小值，在逆变电路最大输出时L取得最大值;直流母线电容的设计取决于电容两端电压的纹波。本文滤波电感取500μH，直流母线电容取4.7mF，然后选取数字PID控制与无差拍控制对逆变器进行相关控制研究。具体研究成果如下：

3.1数字PID控制模型搭建

与一般PID控制不同，数字PID控制是利用DSP及一些数字芯片实现对系统进行控制的一种方式，其实质也是通过正弦脉冲波宽度调制比较控制的一种，但与传统模拟PID控制方式相比，数字PID控制方式不论在响应速度上还是在跟踪精度上都远优于普通PID控制方式。

图3为在Matlab软件中搭建的数字PID模型，仿真过程中，DSP及一些数字芯片一般采用离散化采样方式对数据进行处理，各仿真模块参数设置如下：系统中调节器采用PI，Kp设置为75，Ki设置为15。仿真系统模型中将离散系统的采样周期Ts设定为5e-6s，直流侧模块电压为设为400V，电网电压为220V/50Hz的标准正弦波，电容C设计为312.6uF，电感L设计为7.8734mH，电阻R设计为5Ω。图4为数字PID中的PWM控制模块封装。与传统数字PID不同，本文在系统仿真过程中在PID调节输出后进行了局部的改进，如图3中的黑色模块V2所示，通过引入电网电压和直流电压的反馈对系统误差进行修正，反馈的修正信号再次通过PWM发生器进而产生所需的控制脉冲波，PWM发生器模块中的采样频率设定为25kHz。

图4.3为电网电压与逆变输出的并网电流波形，图4.4为逆变输出的并网电流与参考电流波形。通过对图4.3、图4.4中的输出波形可以看出，改进后的数字PID控制方式输出的并网电流跟踪特性很好，但并网电流与参考电流却存在一定的相位差，总体谐波畸变率（THD）为1.09%，误差率也小于5%，基本满足并网条件。

3.2无差拍控制模型搭建

图7为搭建的无差拍控制仿真系统，公式（6）为系统中逆变器输出端的电压方程式：

对式子（6）进行离散化得：

无差拍控制模型的搭建首先通过将如下控制电流的数学表达式（6）进行离散化得到（7），同时对主电路的建模尽量做到精确以满足更好的控制需要。当电路稳态运行时，流经电容所在支路的电流iC非常小，因此直接忽略，同时，因为流经电容支路的电流iC的值很小（iC近似认为为0）并网电流也很小，此时并网电流ig=iL;将给定参考电流iref （k+1）替换掉电感电流iL（k+1），从而获得采样周期内对应的逆变器输出电压平均值如下：

为了得到无差拍控制器的数学模型，对式（8）进行搭建模型，图8为无差拍控制器封装模块。模型中各参数如下：仿真离散系统的采样周期设定为5e-6s，电容C设计为332.8uF，开关管频率设定为20kHz，滤波电感L设计为7.4560mH，电容的阻抗电阻R设计为0.01，电网电压为标准电压，幅值为311V，参考电流设置为40A/50Hz，相位始终超前一个采样周期。

通过对图5数字PID控制电网电压与并网电流输出波形与图9无差拍控制并网电流波形及图6数字PID控制并网电流与参考电流输出波形与图10无差拍控制并网电流输出波形进行对比，明显看出无差拍控制方式的输出电流波形是标准的正弦波，并网电流的频率和相位几乎完全和参考电流一致，且谐波总畸变率THD远远小于并网要求的5%，仅有1.022%，且无差拍控制系统响应速度快，完全符合并网要求。由仿真系统结果分析得出结论：对于确定的系统模型，在能够精确建立数学模型的基础上，无差拍控制不论在控制速度还是在控制精度上都优于数字PID控制方式。

参  考  文  献

[1]赵杰. 光伏发电并网系统的相关技术研究[D]，天津：天津大学，2012.

[2]陈晓君. 基于Boost电路的MPPT光伏发电系统研究[D]，浙江：浙江工业大学，2014.

[3]陈双，陈卫民，严虹. 直流模块式光伏发电系统前级DC/DC变换研究[J]. 水电能源科学，2012 （8）： 184-186.

[4]孙志松. 光伏并网发电系统的MATLAB仿真研究[D]，南昌：南昌航空大学，2013.

[5]王昉，马爱平，刘陵顺，等. 光伏逆变器控制策略的仿真研究[J]. 船电技术，2014， 34 （11）： 7-9

[6]陈诚. 单相光伏并网发电逆变器控制的研究[D]，上海：华东交通大学，2013.

[7]程静. 光伏并網逆变器孤岛检测方法研究[D]，河南：河南师范大学，2012.

[8]郭建凯. 双级式单相光伏并网系统的研究[D]，辽宁：东北大学，2012.