光伏陣列三相并網(wǎng)仿真模型

翟津川，黃梅

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）

隨著化石能源的逐步消耗，能源危機(jī)已經(jīng)展現(xiàn)在人類的面前。在21世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界能源儲(chǔ)量的調(diào)查顯示：石油可采量為39.9年，天然氣可采量為61年，煤炭可采量為227年，化石能源的可采量屈指可數(shù)。太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)億萬(wàn)桶石油燃燒的能量。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽(yáng)能，可以對(duì)環(huán)境不生產(chǎn)或產(chǎn)生很少污染，太陽(yáng)能既是近期急需的能量補(bǔ)充，又是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。開發(fā)利用太陽(yáng)能具有重大的戰(zhàn)略意義[1]。

目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的趨勢(shì)已經(jīng)由小型獨(dú)立發(fā)電向大型并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，由于太陽(yáng)能的波動(dòng)性和隨機(jī)性，光伏電站輸出的電能波動(dòng)很大，隨著這種分布式光伏并網(wǎng)電站的容量越來(lái)越大，其輸出功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響不容忽視。這就需要在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性上進(jìn)行研究，建立當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，改變以往按照準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模[2]。本文基于Matlab/Simulink仿真工具，通過(guò)光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，建立光伏陣列的仿真模型，該模型考慮了環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光伏陣列串并聯(lián)數(shù)、光伏模塊參數(shù)對(duì)I-V和P-V特性的影響，并考慮光伏陣列系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能和光伏陣列三相并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。

1 光伏陣列仿真模型

在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，為了更好分析光伏陣列的電性能，使其與光伏控制系統(tǒng)匹配，達(dá)到最佳的發(fā)電效果，則可為工作與各種條件的各種類型的光伏陣列建立起數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這些數(shù)學(xué)關(guān)系反映光伏陣列各項(xiàng)參數(shù)的變化規(guī)律。這里所用的數(shù)學(xué)模型[3-4]為：

設(shè)在任意太陽(yáng)輻射強(qiáng)度R，（W·m-2）和環(huán)境溫度T，℃條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im為最大功率點(diǎn)電流，Vm為最大功率點(diǎn)電壓，當(dāng)光伏陣列電壓為V，其對(duì)應(yīng)的電流I為：

式中，Rref為太陽(yáng)輻射溫度參考值，一般取值為1 km/m-2；Tref為光伏陣列溫度參考值，一般取值為25℃；α為在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（A/℃）；β為在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/℃）；Rs為光伏模塊的串聯(lián)電阻（Ω）；R為光伏陣列傾斜面上的總太陽(yáng)輻射；tc為太陽(yáng)池板的溫度系數(shù)。

基于上述的數(shù)學(xué)模型，在Matlab環(huán)境下，利用Simulink工具建立光伏陣列仿真模，如圖1所示，實(shí)時(shí)求解任意太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度下太陽(yáng)電池的電壓和電流，其中T為實(shí)時(shí)環(huán)境溫度，R為實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，Vpv為光伏陣列工作電壓，Iout為光伏陣列輸出電流，最后把仿真模塊進(jìn)行封裝，用戶可方便更改參數(shù)。

圖1 太陽(yáng)池板的仿真模型Fig.1 Simulation model of solar pool panels

這里采用的光伏陣列是Solon AG公司生產(chǎn)的P200池板，單體功率為200 W，單塊太陽(yáng)池板的開路電壓為53 V，短路電流為5 A，最大功率點(diǎn)電壓為44.4 V，最大功率點(diǎn)電流為4.5 A，內(nèi)阻為0.217 Ω，為了達(dá)到40 kW的容量，進(jìn)行10串2并，使太陽(yáng)池板的開路電壓為530 V，短路電流為90 A，最大功率點(diǎn)電壓為444 V，最大功率點(diǎn)電流為45 A。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的實(shí)現(xiàn)

目前使用的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法主要有恒電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及其他跟蹤方法[5-7]。

恒電壓法具有控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，比一般光伏陣列系統(tǒng)可多獲得20%的電能，然而恒電壓法忽略了光伏陣列電池溫度對(duì)光伏陣列最大功率點(diǎn)的影響，其帶來(lái)的功率相比較微電子器件的降價(jià)和微電子技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟(jì)了。擾動(dòng)觀察法[8-9]的最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)點(diǎn)單、被測(cè)參數(shù)少、容易實(shí)現(xiàn)，但是光伏陣列只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致一定的功率損耗，跟蹤步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和跟蹤速度無(wú)法兼顧，在外部環(huán)境突然變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

所用光伏陣列采用增量電導(dǎo)法[8]是由K.H.Hussein在1995年提出，由光伏陣列輸出電氣特性知，光伏陣列的輸出功率-電壓（P-V）曲線是一個(gè)單峰曲線，在功率最大處，功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零，所以有：

最大功率點(diǎn)左邊dP/dV＞0，最大功率點(diǎn)右邊dP/dV＜0。

光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)的條件是：輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值，若不相等，則要判斷dP/dV是大于0還是小于0。電導(dǎo)增量法的控制流程圖如圖2所示。圖2中，Vn和In分別為檢測(cè)到的當(dāng)前太陽(yáng)能電池陣列電壓值和電流值，Vb和Ib分別為上一控制周期光伏陣列電壓值和電流值。

圖2 增量電導(dǎo)法流程圖Fig2.Flow chat of incremental conductance method

通過(guò)電導(dǎo)增量法的流程圖，用Simulink建立起MPPT的仿真模塊，如圖3所示。

3 光伏陣列三相并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

所用并網(wǎng)逆變器為三相電壓型PWM整流器結(jié)構(gòu)[10]，電路參數(shù)為：電網(wǎng)電壓為380 V，濾波電感為0.8 mH，濾波電容為30 μF，直流側(cè)電壓要大于交流側(cè)線電壓峰值537 V，所以取直流側(cè)電壓給定值為600 V。并網(wǎng)逆變器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法，對(duì)直流電壓和交流電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制，其控制目標(biāo)為：

1）保證直流側(cè)電壓恒定；

2）保證網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行；

3）保證網(wǎng)側(cè)電流為正弦且諧波小。

圖4為光伏陣列三相并網(wǎng)仿真模塊，光伏陣列初始參數(shù)設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，即Tc=25℃，R=1 000 W·m-2，仿真時(shí)間為1 s，在0.5 s時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從1 000 W·m-2降到800 W·m-2，圖5為光伏陣列的輸出電壓和輸出電流波形圖，圖6為網(wǎng)側(cè)的有功及無(wú)功功率、直流側(cè)電壓、交流側(cè)A相電壓和電流波形圖。

圖3 MPPT仿真模塊Fig.3 MPPT simulation module

圖4 光伏陣列三相并網(wǎng)仿真模型Fig.4 PV array simulation model for three-phase grid

圖5 光伏陣列輸出電壓和電流Fig.5 Output voltage and current of PV array

圖6 網(wǎng)側(cè)波形圖Fig.6 Side waveform

由圖5可以看出，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化時(shí)，輸出電流由90 A下降到70 A，輸出電壓略有下降，輸出功率從40 kW下降到30 kW，仿真數(shù)據(jù)與太陽(yáng)池板的I-V和P-V特性相符。由圖6可以看出直流側(cè)電壓能夠維持在給定值600 V，電網(wǎng)側(cè)電流降低，但仍然保持與電壓同相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，所以網(wǎng)側(cè)的無(wú)功功率為0，有功功率也有所下降，其值與光伏陣列的有功功率基本相等。

4 結(jié)論

根據(jù)光伏陣列數(shù)學(xué)模型建立起帶有MPPT的仿真模型，能夠動(dòng)態(tài)的跟蹤任意環(huán)境溫度或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化時(shí)的最大功率，并且可以對(duì)任意組合的光伏陣列的I-V，P-V特性進(jìn)行模擬。

通過(guò)仿真驗(yàn)證了此模型的有效性，并網(wǎng)逆變器能夠很好的控制網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)及并網(wǎng)電流的諧波，電網(wǎng)側(cè)的功率能夠很好的進(jìn)行跟隨。

[1]王長(zhǎng)貴.新能源和可再生能源的現(xiàn)狀和展望[C]//太陽(yáng)能光伏發(fā)展論壇論文集，2003，9：4-17.

[2]McGowan J G，Manwell J F.Hybird.Wind/PV/diesel power systems modeling and south american applications[C].WREC，1996.

[3]茆美琴，宇世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17（5）：1248-1251.

MAO Mei-qin，YU Shi-jie，SU Jian-hui.The simulation model of the PV array with MPPT function[J].Journal of System Simulation，2005，17（5）:1248-1251.

[4]ZAHEDI A.Development of an electrical model for a PV/battery system for performance prediction[J].Renewable Energy，1998，15（1）:531-534.

[5]余世杰，何慧若，曹仁賢.光伏水泵系統(tǒng)中CVT及MPPT的控制比較[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1998，19（4）：394-398.

YUShi-jie，HEHui-ruo，CAORen-xian.Controlled comparison of the CVT and MPPT in the PV water pump system[J].Acta Energiae Solaris Sinica，1998，19（4）：394-398.

[6]苑進(jìn)社，余世杰，何慧若.CVT光伏水泵系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)特性分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2002，23（5）：554-556.

YUAN Jin-she，YU Shi-jie，HE Hui-ruo.Characteristics of transient operating point of the PV water pump system with CVT[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2002，23（5）:554-556.

[7]Masoum M A，Dehbonei H，F(xiàn)uchs E F.Theoretical and experi-mental analyses of photovoltaic system with voltageand current-based maximum power point tracking[J].Power Engineering Review，IEEE，2002，22（8）：62-62.

[8]Hussein K H，Muta I，Hoshino T，et al.Maximum photovoltage tracking：an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions，Generation，Transmission and Distribution[J].IEEE proceedings-Publication，1995，142:59-64.

[9]LIU Xue-jun，Lopes Luiz A C.An improved perturbation and observation maximum power point tracking algorithm for PV arrays[C]//Power electronics specialists conference，2004 IEEE35th Annual，2004，3:2005-2010.

[10]海濤，劉得剛，駱武寧，等.一種太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J].陜西電力，2010，38（1）：49-52.

HAI Tao，LIU De-gang，LUO Wu-ning，et al.Research on solar photovoltaic grid-connected inverter[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（1）：49-52.