基于Ma t l a b/S i mu l i n k的光伏系統(tǒng)仿真研究

高俊營，龔信華，王飛龍，董博，常迪

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003；2.華北電力大學(xué)研究生院，河北保定071003；3.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，河北保定 071003）

隨著當(dāng)前世界能源短缺危機日益嚴(yán)重和節(jié)能減排戰(zhàn)略計劃的推進，世界各國都開始著重開發(fā)利用綠色可再生能源，以期緩解能源和環(huán)境的巨大壓力。太陽能發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電，燃料電池和高速飛輪等清潔無污染、分布范圍廣、可以分散建設(shè)、就地發(fā)電、使用壽命長且維護簡單等諸多優(yōu)勢得到各國的廣泛關(guān)注。

據(jù)預(yù)測，太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會占據(jù)世界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。

本文以小型光伏發(fā)電系統(tǒng)為例來模擬大規(guī)模光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)，本文將光伏系統(tǒng)分成3個模塊進行仿真研究，分別是光伏陣列模塊、DC/DC及MPPT模塊和DC/AC模塊。

1 光伏陣列建模

太陽能電池I-V特性曲線與日照強度和電池溫度有關(guān)，可以認為太陽能電池的I-V方程含有日照強度和電池溫度作為參變量。通常日照強度S變化范圍為0～l 000 W/m2，電池溫度變化范圍為10～70℃。

1.1 光伏電池模型的建立

1.1.1 光伏電池數(shù)學(xué)模型的建立[1-4，7]

圖1為光伏電池的等值電路[1-2]，介紹了光伏電池的原理及參數(shù)，其中各個參數(shù)的代表含義見下。

圖1 光伏電池的等值電路Fig.1 The equivalent circuit of PV cells

具體參數(shù)：Iph:光生電流；ID:暗電流；IL:負載電流；Uoc:開路電壓；Rs:串聯(lián)電阻；Rsh:旁路電阻。

其中的電流關(guān)系滿足：

根據(jù)電流關(guān)系，列出等值電路的電流關(guān)系表達式為：

忽略串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，可得：

標(biāo)準(zhǔn)測試條件Snom=1000 W/m2，Tnom=25℃下，將上式表示為[3]：

式（3）中的C1、C2分別為，其中：

一般工況下，輻照度S和溫度T與標(biāo)準(zhǔn)工況的相應(yīng)參數(shù)的差為：

一般工況下的參數(shù)計算：

1.1.2 光伏電池Simulink模型的建立

根據(jù)上面的原理分析和參數(shù)介紹，進行Simulink模型的搭建，然后根據(jù)不同溫度、光照度條件下電池輸出特性進行研究。單個電池的Simulink仿真模型的封裝見圖2。

圖2 光伏電池封裝圖Fig.2 The package diagram of PV cells

單塊電池的Simulink仿真模型見圖3[4]。

圖3 單塊電池的仿真模型Fig.3 The simulation model of single cell

1.1.3 輸出特性研究[5]

根據(jù)不同溫度和不同光照度下電池模型的輸出特性進行研究，主要選取了5組數(shù)據(jù)進行對比仿真，其中將功率-電壓曲線和電流電壓曲線分開研究。通過輸出波形可以清楚地表現(xiàn)電池的輸出特性。

第一組：溫度15，光照度1000 W/m2

第二組：溫度25，光照度1000 W/m2

第三組：溫度35，光照度1000 W/m2

第四組：溫度25，光照度900 W/m2

第五組：溫度25，光照度1100 W/m2

下面介紹光伏電池的輸出特性曲線，見圖4~圖7。

1.2 電池陣列的實現(xiàn)

電池陣列采用八串四并的形式，見圖8，依據(jù)分壓原理和電流的輸出特性，將光伏陣列電壓的八分之一作為電池模塊的電壓輸入。

圖4 不同溫度下的伏安特性曲線Fig.4 I-U characteristic curve under different temperature

圖6 不同光照強度下的伏安特性曲線Fig.6 I-U characteristic curve under different light intensity

電池陣列在串并之前做了一些處理，將光伏電池的電流輸出通過控制電流源并電阻轉(zhuǎn)換成電壓，以便于電池的串并聯(lián)，然后在此基礎(chǔ)上進行串并，形成太陽能陣列，控制電流源并電阻的模型見圖9。

圖8 電池陣列模型Fig.8 PV array model

圖9 電流源并電阻模塊Fig.9 Current source and the resistance module

圖5 不同溫度下的功率特性曲線Fig.5 Power characteristic curve under different temperature

圖7 不同光照度下的功率特性曲線Fig.7 Power characteristic curve under different light intensity

2 DC/DC和最大功率跟蹤

2.1BOOST升壓電路

在DC/DC變換模塊中使用BOOST升壓電路[6]，使變換后的電壓達到500 V。開關(guān)使用IGBT模塊，控制信號由MPPT模塊控制的PWM模塊提供。

圖10為升壓式變換電路示意圖，當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時，電源向電感儲存能量，電感電流增加，二極管截止，電容C向負載供電，此時Vin=VL。當(dāng)開關(guān)Q截止時，電感電流減小，釋放能量，由于電感電流不能突變，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢左負右正，迫使二極管導(dǎo)通，并與電源一起經(jīng)二極管向負載供電，同時向電容充電，此時V0=Vin+VL。所以，輸出電壓大于輸入電壓。

圖10 Boost電路拓撲圖Fig.10 Boost circuit topology

2.2 最大功率跟蹤模塊

MPPT的控制有很多方法，這里采用的是擾動法[4，7]。擾動觀察法具有控制簡單、清晰、被測參數(shù)少等優(yōu)點。在光照和溫度不變的情況下，光伏特性曲線是1個以最大功率點為極大值（最大值）的單峰函數(shù)，擾動觀察法就是對這個單峰函數(shù)的尋優(yōu)過程。通過對電壓進行小擾動，判斷功率輸出的變化方向，進而向最大功率點逼近，MPPT的流程圖如圖11所示。

圖11MPPT控制流程圖Fig.11 MPPT control flow chart

2.3 仿真模型及曲線

DC/DC實現(xiàn)MPPT的Simulink模型見圖12。

圖12DC/DC模塊仿真模型Fig.12 DC/DC module simulation model

設(shè)初始光照強度為S=1000 W/m2，T=25℃。圖13和圖14分別為當(dāng)光照和溫度發(fā)生變化時，通過MPPT控制所得系統(tǒng)的動態(tài)仿真圖形[7]。

圖13 光照由1000 W/m2變?yōu)?00 W/m2時的MPPT仿真圖Fig.13 MPPT simulation diagram when the light changed from 1000 W/m2to 500 W/m2

圖14 光照由25℃變?yōu)?5℃時的MPPTFig.14 MPPT simulation diagram when the light changed from 25℃to 75℃

3 光伏系統(tǒng)通過VSC并網(wǎng)

VSC是基于電壓源的換流器，它利用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的控制方法，進行直流輸電，以全控型的功率器件如IGBT作為開關(guān)器件，使得VSC具有可獨立調(diào)節(jié)有功和無功功率的優(yōu)點，可以向無源網(wǎng)絡(luò)送電，克服了傳統(tǒng)直流輸電的本質(zhì)缺陷[6]。

3.1 同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)原理

電壓型三相并網(wǎng)逆變器在工作時要求在穩(wěn)定直流側(cè)電壓的同時，實現(xiàn)交流側(cè)在單位功率因數(shù)條件下的正弦波電流控制。本模型采用直接電流控制，相對于電流間接控制增加了電流閉環(huán)控制，網(wǎng)側(cè)的電流閉環(huán)控制使控制系統(tǒng)的動態(tài)跟隨性大大提高、使控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差大大降低；同時也使網(wǎng)側(cè)電流的控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，使系統(tǒng)的抗擾性大大提高[8]。

同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)從控制的角度講就是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的固定開關(guān)頻率直接電流控制技術(shù)。為了讓系統(tǒng)實現(xiàn)輸出無靜差，有較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，采取對前饋電壓解耦控制從而實現(xiàn)無功電流和有功電流的獨立控制?？刂瓶驁D如圖15所示。

圖15 基于同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)的雙環(huán)控制框圖Fig.15 The double loop control block diagram based on the synchronous frame

控制框圖如圖15所示，其中的坐標(biāo)變換模塊需要由鎖相環(huán)模塊提供相應(yīng)的相位角。采集三相交流電網(wǎng)電壓和電流進行（a-b-c）坐標(biāo)系到（d-q）坐標(biāo)系的變換，電網(wǎng)電動勢矢量以 d軸定向，對應(yīng)d、q軸的電流電壓分量分別為id、iq、ed，且滿足：

式中，Em為電網(wǎng)電動勢峰值，id為有功電流分量，iq與d軸垂直，即與電網(wǎng)電壓矢量垂直，故為無功電流分量。三相電壓型并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq）下的數(shù)學(xué)模型可表示為：

id和iq相互耦合，不能實現(xiàn)獨立控制，所以該數(shù)學(xué)模型是一個強耦合系統(tǒng)，只有消除id和iq的耦合項才能達到解耦的目的。

將式（6）代入式（5）中可使三相并網(wǎng)逆變器的電流內(nèi)環(huán)（id、iq）實現(xiàn)解耦控制，這樣就可以對有功功率和無功功率實現(xiàn)獨立的調(diào)節(jié)。

3.2 DC/AC仿真模型

這里使用基于VSC的換流器將實驗系統(tǒng)的電能并入交流電網(wǎng)，其控制器的控制方式如圖16所示，逆變器的仿真模型如圖17所示。

圖16 VSC控制器Fig.16 VSC controller

圖17 逆變器仿真模型Fig.17 Inverter simulation model

4 系統(tǒng)仿真

將光伏陣列模塊、DC/DC及MPPT模塊和DC/AC模塊整合得光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真模型和交流側(cè)電壓、電流波形。光伏系統(tǒng)仿真圖見圖18。

圖19，圖20和圖21分別為不同功率因數(shù)時的交流側(cè)的電壓電流的波形圖。

圖18 光伏系統(tǒng)仿真圖Fig.18 Photovoltaic system simulation diagram

圖19 單位功率因數(shù)時的A相電壓電流波形Fig.19 A phase voltage and current waveform at unit power factor

圖20 發(fā)出感性無功時的A相電壓電流波形Fig.20 A phase voltage current waveform when generating perceptual reactive power

圖19為單位功率因數(shù)時的電壓電流波形圖，可以看出VSC在單位功率因數(shù)運行時，交流側(cè)的電壓和電流是同相位的。由圖20可以看出發(fā)出感性無功時的，電流是超前電壓。由圖21可以看出吸收感性無功時，電壓是超前電流的。

圖21 吸收感性無功時的電壓電流波形Fig.21 A phase voltage current waveform when absorbing perceptual reactive power

從并網(wǎng)電壓、電流波形上看，該仿真能較好的實現(xiàn)MPPT的追蹤控制，并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓有較好的跟蹤效果，較好地實現(xiàn)了并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出，電壓和電流相位實現(xiàn)同頻同相，但同時由于MPPT模塊中對參數(shù)的設(shè)置不夠準(zhǔn)確，仍需進一步改進。

[1] 劉承佳，李鵬，李婉娉，等.智能電網(wǎng)中光伏發(fā)電MPPT仿真分析[J].陜西電力，2011，39（12）:31-35.LIU Cheng-jia，LI Peng，LI Wan-ping，et al.Simulation analysis on photovoltaic generation with MPPT in smart grid[J].Shaanxi Electric Power，2011，39（12）:31-35（in Chinese）.

[2]王越，王念春，時斌.太陽能光伏電池陣列仿真模型的研究[J].電工電氣，2009（10）:20-22.WANG Yue，WANG Nian-chun，SHI Bin.Study on photovoltaic array simulation model[J].Elcctrotechnics Electric，2009（10）:20-22（in Chinese）.

[3] 楊琦，魏賓.風(fēng)光互補獨立供電系統(tǒng)設(shè)計及分析 [J].陜西電力，2009，37（1）:1-4.YANG Qi，WEI Bin.Design and analysis of stand-alone hybrid wind/PV power system[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（1）:1-4（in Chinese）.

[4] 周倩，薛建，于辰.基于Matlab的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析[J].陜西電力，2012，40（3）:19-22.ZHOU Qian，XUE Jian，YU Chen.Analysis and simulation for grid-connected photovoltaic system based on Matlab[J].Shaanxi Electric Power，2012，40（3）:19-22（in Chinese）.

[5] 邵衛(wèi)超，朱凌.基于MATLAB的光伏電池陣列MPPT仿真研究[J].電源技術(shù)，2012，36（2）:209-211.SHAO Wei-chao，ZHU Ling.Study on photo-voltaic array and MPPT simulation model based on MATLAB[J].Chinese JournalofPowerSources，2012，36（2）:209-211（inChinese）.

[6] 海濤，劉得剛，駱武寧，等.一種太陽能光伏并網(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（in Chinese）.

[7]CAI Wen-hao，REN Hui，JIAO Yan-jun，et al.Analysis and simulation for grid-connected photovoltaic system based on matlab[J].Electrical and Control Engineering，2011（9）:63-66.

[8] 程軍照，吳夕科，李澍森，等.采用Boost的兩級式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng) [J].高電壓技術(shù)，2009，35（8）:2048-2051.CHENG Jun-zhao，WU Xi-ke，LI Shu-sen，et al.Boostbased two-levelgrid-connected photovoltaic inverter system[J].High Voltage Enginering，2009，35（8）:2048-2051（in Chinese）.