光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真研究

顧振宇+付立思+吳碩

摘要：根據(jù)光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一個由光伏組成的直流微網(wǎng)。光伏發(fā)電部分能夠?qū)崿F(xiàn)變步長最大功率跟蹤，結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性，為光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率跟蹤；仿真；直流微網(wǎng)；控制

中圖分類號：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發(fā)電，如太陽能，風(fēng)能等。光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不僅是當(dāng)今能源的重要補(bǔ)充，更具備成為未來主要能源來源的潛力?！秶夷茉窗l(fā)展規(guī)劃》規(guī)定，2010—2020年重點(diǎn)采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和無電戶的供電問題。目前，國內(nèi)對光伏并網(wǎng)的研究較多，相關(guān)設(shè)備越來越先進(jìn)，相關(guān)理論也在不斷完善。介紹光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎(chǔ)上描述BOOST電路的工作原理，最后結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光伏電池的等效模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強(qiáng)度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點(diǎn)電壓、電流；Tc為光伏電池當(dāng)前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數(shù)；β為光伏電池開路的電壓溫度系數(shù)。

根據(jù)上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網(wǎng)變換器的控制策略

光伏并網(wǎng)變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比兩級式少一個DC/DC直流變換環(huán)節(jié)，并網(wǎng)運(yùn)行時的控制目標(biāo)比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網(wǎng)變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當(dāng)采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運(yùn)行階段，前后級需要改變調(diào)節(jié)速度來滿足控制要求，增加了整個系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環(huán)節(jié)只需進(jìn)行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側(cè)電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調(diào)節(jié)速度比前級DC/DC快，但其更容易實(shí)現(xiàn)。前級最大功率跟蹤的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統(tǒng)。BOOST變換電路主要由續(xù)流二極管D1、全控開關(guān)管T、電感和電容組成。當(dāng)全控開關(guān)導(dǎo)通時，電感開始續(xù)能；當(dāng)全控開關(guān)關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和電源的電壓串聯(lián)加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變?nèi)亻_關(guān)T的導(dǎo)通頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)左側(cè)時，電壓增加，功率增大；當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)右側(cè)時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當(dāng)采用定步長時，會出現(xiàn)最大功率點(diǎn)附近擾動較大或者系統(tǒng)進(jìn)入最大功率點(diǎn)附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應(yīng)占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調(diào)制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單且容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 光伏并網(wǎng)變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關(guān)器件，既可以從電網(wǎng)上吸收功率，使系統(tǒng)在整流狀態(tài)工作，也可以向電網(wǎng)輸出功率，使系統(tǒng)在有源逆變狀態(tài)工作。圖2中的整流器數(shù)學(xué)模型在PARK變換后的表達(dá)式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側(cè)濾波電感；R為交流側(cè)線路等效阻抗；C為直流側(cè)電容；Vdc為直流側(cè)電壓；idc為直流側(cè)負(fù)載電流（工作在整流狀態(tài)時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側(cè)電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關(guān)函數(shù)；Sq為解耦后控制無功的開關(guān)函數(shù)。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側(cè)電流反饋環(huán)節(jié)，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點(diǎn)是交流側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)比較慢及系統(tǒng)參數(shù)變化給網(wǎng)側(cè)電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側(cè)電流反應(yīng)快，控制性能有所提高，但控制系統(tǒng)復(fù)雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應(yīng)用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網(wǎng)，利用公式（6），（7），（8）進(jìn)行并網(wǎng)濾波器參數(shù)的選取和PI參數(shù)的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側(cè)電容值；fsw為整流器的開關(guān)頻率；ia為并網(wǎng)后額定電流的單相值；u為并網(wǎng)交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統(tǒng)的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真

用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)如下：交流側(cè)線電壓380 V；直流側(cè)電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負(fù)載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側(cè)電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統(tǒng)運(yùn)行狀況如下：0.3 s前，直流電網(wǎng)無負(fù)載，光伏電源將最大功率輸送給電網(wǎng)（4 kW）；0.3 s后，直流電網(wǎng)帶直流4 kW直流負(fù)載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網(wǎng)從主網(wǎng)吸收電能來滿足直流負(fù)載要求。仿真運(yùn)行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網(wǎng)中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統(tǒng)很好地完成了控制目標(biāo)。由圖5可知，直流側(cè)直流電壓很快進(jìn)入了設(shè)定值，且變化很小。圖6展現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流。系統(tǒng)開始仿真后，網(wǎng)側(cè)電流很大，這是由系統(tǒng)需要向直流側(cè)電容充電造成的，向電網(wǎng)提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關(guān)系；當(dāng)加入直流負(fù)載后，直流微網(wǎng)所提供的電能和負(fù)載剛好相等，但網(wǎng)側(cè)電流并不為0，這是由設(shè)計(jì)濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當(dāng)系統(tǒng)需要向電網(wǎng)吸收功率供給直流負(fù)荷時，網(wǎng)側(cè)電流和電壓相位關(guān)系也很滿意。

4 結(jié)論

建立一個由光伏組成的直流微網(wǎng)，利用變步長實(shí)現(xiàn)分布式電源的最大功率跟蹤，在并網(wǎng)運(yùn)行的情況下根據(jù)負(fù)荷和分布式電源的變化從電網(wǎng)吸收電能或者輸送電能給電網(wǎng)，并且保持較好的直流電壓質(zhì)量。利用仿真驗(yàn)證提出的控制目標(biāo)和策略，為光伏并網(wǎng)研究提供參考。

摘要：根據(jù)光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一個由光伏組成的直流微網(wǎng)。光伏發(fā)電部分能夠?qū)崿F(xiàn)變步長最大功率跟蹤，結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性，為光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率跟蹤；仿真；直流微網(wǎng)；控制

中圖分類號：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發(fā)電，如太陽能，風(fēng)能等。光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不僅是當(dāng)今能源的重要補(bǔ)充，更具備成為未來主要能源來源的潛力?！秶夷茉窗l(fā)展規(guī)劃》規(guī)定，2010—2020年重點(diǎn)采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和無電戶的供電問題。目前，國內(nèi)對光伏并網(wǎng)的研究較多，相關(guān)設(shè)備越來越先進(jìn)，相關(guān)理論也在不斷完善。介紹光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎(chǔ)上描述BOOST電路的工作原理，最后結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光伏電池的等效模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強(qiáng)度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點(diǎn)電壓、電流；Tc為光伏電池當(dāng)前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數(shù)；β為光伏電池開路的電壓溫度系數(shù)。

根據(jù)上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網(wǎng)變換器的控制策略

光伏并網(wǎng)變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比兩級式少一個DC/DC直流變換環(huán)節(jié)，并網(wǎng)運(yùn)行時的控制目標(biāo)比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網(wǎng)變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當(dāng)采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運(yùn)行階段，前后級需要改變調(diào)節(jié)速度來滿足控制要求，增加了整個系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環(huán)節(jié)只需進(jìn)行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側(cè)電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調(diào)節(jié)速度比前級DC/DC快，但其更容易實(shí)現(xiàn)。前級最大功率跟蹤的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統(tǒng)。BOOST變換電路主要由續(xù)流二極管D1、全控開關(guān)管T、電感和電容組成。當(dāng)全控開關(guān)導(dǎo)通時，電感開始續(xù)能；當(dāng)全控開關(guān)關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和電源的電壓串聯(lián)加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變?nèi)亻_關(guān)T的導(dǎo)通頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)左側(cè)時，電壓增加，功率增大；當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)右側(cè)時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當(dāng)采用定步長時，會出現(xiàn)最大功率點(diǎn)附近擾動較大或者系統(tǒng)進(jìn)入最大功率點(diǎn)附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應(yīng)占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調(diào)制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單且容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 光伏并網(wǎng)變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關(guān)器件，既可以從電網(wǎng)上吸收功率，使系統(tǒng)在整流狀態(tài)工作，也可以向電網(wǎng)輸出功率，使系統(tǒng)在有源逆變狀態(tài)工作。圖2中的整流器數(shù)學(xué)模型在PARK變換后的表達(dá)式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側(cè)濾波電感；R為交流側(cè)線路等效阻抗；C為直流側(cè)電容；Vdc為直流側(cè)電壓；idc為直流側(cè)負(fù)載電流（工作在整流狀態(tài)時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側(cè)電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關(guān)函數(shù)；Sq為解耦后控制無功的開關(guān)函數(shù)。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側(cè)電流反饋環(huán)節(jié)，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點(diǎn)是交流側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)比較慢及系統(tǒng)參數(shù)變化給網(wǎng)側(cè)電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側(cè)電流反應(yīng)快，控制性能有所提高，但控制系統(tǒng)復(fù)雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應(yīng)用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網(wǎng)，利用公式（6），（7），（8）進(jìn)行并網(wǎng)濾波器參數(shù)的選取和PI參數(shù)的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側(cè)電容值；fsw為整流器的開關(guān)頻率；ia為并網(wǎng)后額定電流的單相值；u為并網(wǎng)交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統(tǒng)的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真

用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)如下：交流側(cè)線電壓380 V；直流側(cè)電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負(fù)載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側(cè)電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統(tǒng)運(yùn)行狀況如下：0.3 s前，直流電網(wǎng)無負(fù)載，光伏電源將最大功率輸送給電網(wǎng)（4 kW）；0.3 s后，直流電網(wǎng)帶直流4 kW直流負(fù)載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網(wǎng)從主網(wǎng)吸收電能來滿足直流負(fù)載要求。仿真運(yùn)行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網(wǎng)中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統(tǒng)很好地完成了控制目標(biāo)。由圖5可知，直流側(cè)直流電壓很快進(jìn)入了設(shè)定值，且變化很小。圖6展現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流。系統(tǒng)開始仿真后，網(wǎng)側(cè)電流很大，這是由系統(tǒng)需要向直流側(cè)電容充電造成的，向電網(wǎng)提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關(guān)系；當(dāng)加入直流負(fù)載后，直流微網(wǎng)所提供的電能和負(fù)載剛好相等，但網(wǎng)側(cè)電流并不為0，這是由設(shè)計(jì)濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當(dāng)系統(tǒng)需要向電網(wǎng)吸收功率供給直流負(fù)荷時，網(wǎng)側(cè)電流和電壓相位關(guān)系也很滿意。

4 結(jié)論

建立一個由光伏組成的直流微網(wǎng)，利用變步長實(shí)現(xiàn)分布式電源的最大功率跟蹤，在并網(wǎng)運(yùn)行的情況下根據(jù)負(fù)荷和分布式電源的變化從電網(wǎng)吸收電能或者輸送電能給電網(wǎng)，并且保持較好的直流電壓質(zhì)量。利用仿真驗(yàn)證提出的控制目標(biāo)和策略，為光伏并網(wǎng)研究提供參考。

摘要：根據(jù)光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)一個由光伏組成的直流微網(wǎng)。光伏發(fā)電部分能夠?qū)崿F(xiàn)變步長最大功率跟蹤，結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性，為光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率跟蹤；仿真；直流微網(wǎng)；控制

中圖分類號：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0052-03

近年來，人們逐漸開始利用潔凈、可再生能源發(fā)電，如太陽能，風(fēng)能等。光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不僅是當(dāng)今能源的重要補(bǔ)充，更具備成為未來主要能源來源的潛力?！秶夷茉窗l(fā)展規(guī)劃》規(guī)定，2010—2020年重點(diǎn)采用戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)或建設(shè)小型光伏電站，以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和無電戶的供電問題。目前，國內(nèi)對光伏并網(wǎng)的研究較多，相關(guān)設(shè)備越來越先進(jìn)，相關(guān)理論也在不斷完善。介紹光伏發(fā)電的原理和數(shù)學(xué)模型，給出目前比較流行的變步長最大功率跟蹤的分析和仿真模型，在此基礎(chǔ)上描述BOOST電路的工作原理，最后結(jié)合雙向整流器提出G光伏直流微網(wǎng)并網(wǎng)的控制策略，并利用MATLAB仿真驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型和仿真

光伏電池利用光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生電能，工程上普遍采用硅光伏電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光伏電池的等效模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I為太陽能電池輸出電流；U為太陽能輸出電壓；Isc為短路電流；G為太陽能輻射強(qiáng)度；Tref，Gref分別為太陽輻射（1 000 W/m2）和光伏電池溫度參考值（25 ℃）；Vm，Im為最大功率點(diǎn)電壓、電流；Tc為光伏電池當(dāng)前溫度；α為光伏電池短路的電流溫度系數(shù)；β為光伏電池開路的電壓溫度系數(shù)。

根據(jù)上述公式得出的MATLAB仿真波形如圖1所示。

2 并網(wǎng)變換器的控制策略

光伏并網(wǎng)變換器控制策略分為單級式和兩級式2種。單級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比兩級式少一個DC/DC直流變換環(huán)節(jié)，并網(wǎng)運(yùn)行時的控制目標(biāo)比較多，難以兼顧，因而較少采用。兩級式雖然比單級式成本高，但其前后級可以分工合作，控制效果較好。兩級式并網(wǎng)變換器控制又分為前級最大功率跟蹤和后級最大功率跟蹤2種。當(dāng)采用后級最大功率跟蹤時，在不同的運(yùn)行階段，前后級需要改變調(diào)節(jié)速度來滿足控制要求，增加了整個系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度。采用前級最大功率跟蹤時，DC/DC環(huán)節(jié)只需進(jìn)行太陽能電池的最大功率跟蹤，利用功率平衡來維持直流側(cè)電壓。為避免能量堆積，要求DC/AC的調(diào)節(jié)速度比前級DC/DC快，但其更容易實(shí)現(xiàn)。前級最大功率跟蹤的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 最大功率跟蹤電路控制策略

光伏電池最大功率跟蹤電路有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、CUK電路。BOOST電路（如圖2所示）適合工作于小功率光伏系統(tǒng)。BOOST變換電路主要由續(xù)流二極管D1、全控開關(guān)管T、電感和電容組成。當(dāng)全控開關(guān)導(dǎo)通時，電感開始續(xù)能；當(dāng)全控開關(guān)關(guān)斷時，電感產(chǎn)生的反電動勢和電源的電壓串聯(lián)加在電容C2上，這使得電容C2上的電壓高于電容C1。

通過改變?nèi)亻_關(guān)T的導(dǎo)通頻率和占空比，實(shí)現(xiàn)對升壓大小的控制。擾動觀察法是目前比較常用的最大功率跟蹤（MPPT）算法，它通過定期改變光伏電池電壓大小來增減功率（見圖1）。當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)左側(cè)時，電壓增加，功率增大；當(dāng)運(yùn)行到最大功率點(diǎn)右側(cè)時，電壓增加，功率減少。電壓定期改變的大小稱為步長。當(dāng)采用定步長時，會出現(xiàn)最大功率點(diǎn)附近擾動較大或者系統(tǒng)進(jìn)入最大功率點(diǎn)附近的工作時間較長等問題。而采用變步長則可克服上述問題。

采用自適應(yīng)占空比擾動觀察法，通過改變MPPT模塊中脈寬調(diào)制信號的占空比來改變升壓電路的輸入和輸出關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)最大功率的阻抗匹配，克服定步長擾動觀察法的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單且容易實(shí)現(xiàn)。

2.2 光伏并網(wǎng)變換器控制策略.

三相電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型開關(guān)器件，既可以從電網(wǎng)上吸收功率，使系統(tǒng)在整流狀態(tài)工作，也可以向電網(wǎng)輸出功率，使系統(tǒng)在有源逆變狀態(tài)工作。圖2中的整流器數(shù)學(xué)模型在PARK變換后的表達(dá)式為：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L為交流側(cè)濾波電感；R為交流側(cè)線路等效阻抗；C為直流側(cè)電容；Vdc為直流側(cè)電壓；idc為直流側(cè)負(fù)載電流（工作在整流狀態(tài)時）；id為解耦后的有功電流；iq為解耦后得無功電流；ω為交流側(cè)電壓頻率；Sd為解耦后控制有功的開關(guān)函數(shù)；Sq為解耦后控制無功的開關(guān)函數(shù)。

整流器的控制策略分為間接電流控制和直接電流控制。間接電流控制由于沒有交流側(cè)電流反饋環(huán)節(jié)，所以控制原理簡單、工作可靠，缺點(diǎn)是交流側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)比較慢及系統(tǒng)參數(shù)變化給網(wǎng)側(cè)電流帶來的影響比較大。直接電流控制引入了交流電流反饋，交流側(cè)電流反應(yīng)快，控制性能有所提高，但控制系統(tǒng)復(fù)雜程度較高。不過，直接電流控制依然是目前應(yīng)用比較廣泛的一種控制方法，其控制策略如圖3所示。

采用L型并網(wǎng)，利用公式（6），（7），（8）進(jìn)行并網(wǎng)濾波器參數(shù)的選取和PI參數(shù)的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L為濾波電感；C為直流側(cè)電容值；fsw為整流器的開關(guān)頻率；ia為并網(wǎng)后額定電流的單相值；u為并網(wǎng)交流電壓的額定有效值；Ts為整流器系統(tǒng)的采樣周期；Kpwm為雙向整流裝置等效增益。

3 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真

用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究，仿真參數(shù)如下：交流側(cè)線電壓380 V；直流側(cè)電壓600 V；光伏最大功率4 kW；直流負(fù)載4 kW；濾波電感6 mL；整流器直流側(cè)電容3 mf；直流升壓電路電感1 mL。系統(tǒng)運(yùn)行狀況如下：0.3 s前，直流電網(wǎng)無負(fù)載，光伏電源將最大功率輸送給電網(wǎng)（4 kW）；0.3 s后，直流電網(wǎng)帶直流4 kW直流負(fù)載；0.7 s時，光照改變（最大功率為1 500 W），直流網(wǎng)從主網(wǎng)吸收電能來滿足直流負(fù)載要求。仿真運(yùn)行情況見圖4—6。

圖4顯示了直流微網(wǎng)中光伏電源最大功率跟蹤情況，從波形可以看出，系統(tǒng)很好地完成了控制目標(biāo)。由圖5可知，直流側(cè)直流電壓很快進(jìn)入了設(shè)定值，且變化很小。圖6展現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)相電壓和相電流。系統(tǒng)開始仿真后，網(wǎng)側(cè)電流很大，這是由系統(tǒng)需要向直流側(cè)電容充電造成的，向電網(wǎng)提供電能時，電流和電壓保持良好的相位關(guān)系；當(dāng)加入直流負(fù)載后，直流微網(wǎng)所提供的電能和負(fù)載剛好相等，但網(wǎng)側(cè)電流并不為0，這是由設(shè)計(jì)濾波電感時采用了20%的紋波電流造成的。當(dāng)系統(tǒng)需要向電網(wǎng)吸收功率供給直流負(fù)荷時，網(wǎng)側(cè)電流和電壓相位關(guān)系也很滿意。

4 結(jié)論

建立一個由光伏組成的直流微網(wǎng)，利用變步長實(shí)現(xiàn)分布式電源的最大功率跟蹤，在并網(wǎng)運(yùn)行的情況下根據(jù)負(fù)荷和分布式電源的變化從電網(wǎng)吸收電能或者輸送電能給電網(wǎng)，并且保持較好的直流電壓質(zhì)量。利用仿真驗(yàn)證提出的控制目標(biāo)和策略，為光伏并網(wǎng)研究提供參考。