光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及關(guān)鍵技術(shù)分析

郭 琦 趙子玉

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃的推進(jìn)，太陽能作為理想的可再生能源，其應(yīng)用前景正變得越來越廣闊。開發(fā)利用太陽能的主要途徑就是光伏發(fā)電，其優(yōu)點包括無噪聲、無污染，能源隨處可能且取之不盡，不受地域限制，可以無人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模設(shè)計自由度大等[1-3]。

光伏發(fā)電有離網(wǎng)獨立供電和并網(wǎng)供電兩種工作方式。過去由于光伏電池的生產(chǎn)成本居高不下，所以光伏發(fā)電多數(shù)被用于偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)，且以中小系統(tǒng)等離網(wǎng)型用戶居多。但是近年來，光伏產(chǎn)業(yè)及其市場發(fā)生了極大的變化，開始逐步向城市并網(wǎng)發(fā)電、光伏建筑集成的方向快速邁進(jìn)。

本文開展了基于Matalb的光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模仿真，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)建立過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，并利用所建模型對光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)獨立供電和并網(wǎng)供電兩種工作方式進(jìn)行了對比分析。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照系統(tǒng)功能可分為兩類，一種為不含蓄電池環(huán)節(jié)的“不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)”，另一種為含有蓄電池組的“可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)”?？烧{(diào)度式系統(tǒng)由于增加了儲能環(huán)節(jié)，在與系統(tǒng)的調(diào)度配合上要優(yōu)于不可調(diào)度式系統(tǒng)，但同時也帶來一些弱點，如蓄電池壽命較短、價格昂貴、較為笨重且難于處理，而且系統(tǒng)安裝和調(diào)試較為復(fù)雜、可靠度相對較低。因此在當(dāng)前的技術(shù)條件下不可調(diào)度式系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模相對較大[4]。本文分析的對象為不可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模包括光伏電池模型的建立、逆變器的設(shè)計及其控制方案的選擇、光伏電池最大功率點跟蹤方案設(shè)計、并網(wǎng)鎖相環(huán)技術(shù)的軟件實現(xiàn)等幾個關(guān)鍵方面[5]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)建模

2.1 光伏電池建模

光伏電池模型的建立要在光生伏打效應(yīng)這一基本原理的基礎(chǔ)上考慮到由于太陽電池結(jié)溫和日照強(qiáng)度導(dǎo)致的太陽電池參數(shù)變化而產(chǎn)生的對輸出特性的影響。根據(jù)太陽能電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸出伏安特性，可用一個電流源并聯(lián)上一個二極管的電路來表征電池板的輸出特性[6]，如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

在電路模型中，電流源的電流與照射到電池板上的光強(qiáng)成正比關(guān)系，同時受溫度的影響；二極管的飽和電流也受溫度的影響；串聯(lián)上的電阻是為了使模型更加準(zhǔn)確的表征從電池板最大功率點到開路電壓這個范圍內(nèi)的伏安特性；電池板的分流二極管用電路圖中的二極管表示，通過選擇最佳的質(zhì)量因素使得它與電池板的伏安特性最好的匹配。當(dāng)電路無接入負(fù)載時，電流大部分通過二極管分流，而當(dāng)接入負(fù)載時，電流部分地流入到負(fù)載。據(jù)此可建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型。構(gòu)建的Matlab模型如圖3所示。

圖3 光伏電池仿真圖內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)

2.2 升壓電路設(shè)計

光伏陣列的輸出電壓需要通過一級 DC/DC升壓電路提升到后級逆變器需要的直流電壓值。Boost變換器由于變換器存在的損耗單元較少，其效率可以做的較高，其控制策略簡單，易于設(shè)計與控制建模，所以采用了 Boost升壓變換器。可通過對占空比的控制保持輸出電壓在一個變化范圍內(nèi)，從而增大了輸入電壓的可調(diào)范圍。電路模型如圖4所示。

圖4 DC-DC升壓變換器M atlab仿真圖

2.3 逆變電路設(shè)計

電網(wǎng)可視為容量無窮大的交流電壓源，若控制光伏系統(tǒng)的輸出為一個交流電壓源，則光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)實際上就是兩個交流電壓源的并聯(lián)；若要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，則必須同時嚴(yán)格控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位[7]。這種并網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)之間可能會出現(xiàn)環(huán)流，系統(tǒng)不易穩(wěn)定運行。因此，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)被設(shè)計為電壓型的電流源系統(tǒng)，逆變器的輸出電壓幅值自動被鉗位為電網(wǎng)電壓，通過采用控制技術(shù)實現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓的相位同步。

采用單相全橋脈寬調(diào)制逆變器作為逆變環(huán)節(jié)，其包括4個功率半導(dǎo)體元件和一個輸出電感。脈寬調(diào)制逆變器是要輸出與電網(wǎng)電壓同相的電流從而得到單位功率因數(shù)，所以用電流反饋控制方案來實現(xiàn)對4個功率開關(guān)通斷的控制，降低由負(fù)載變化而引起的變化。逆變器的控制方案采用電流滯環(huán)反饋控制，將所要求的并網(wǎng)電流的正弦波給定值與實際并網(wǎng)電流相比較，誤差信號經(jīng)過滯環(huán)控制器處理后，產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號，控制功率器件的開通與關(guān)閉，使并網(wǎng)電流波形為與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦波。電路模型如圖5所示。

圖5 電流滯環(huán)反饋控制逆變器

2.4 最大功率跟蹤方案設(shè)計

光伏組件的伏安特性呈非線性，最大功率點隨輻射強(qiáng)度和溫度的變化而變化。在特定的環(huán)境條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出對應(yīng)的工作點只有一個。為提高光伏電池效率，最大功率點跟蹤問題就顯得尤為重要。在不可調(diào)度式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，可通過調(diào)整并網(wǎng)逆變器指令電流的大小以實現(xiàn) MPPT控制。常用的MPPT實現(xiàn)方法有定電壓跟蹤法、功率回授法、擾動觀察法及增量電導(dǎo)法等[8]。

本文采用變步長的擾動觀察法，系統(tǒng)首先計算出當(dāng)前時刻太陽電池陣列的輸出功率，然后和上一時刻的輸出功率作比較。如果當(dāng)前時刻的功率大于上一時刻的功率，則表示此時變化的方向正確，應(yīng)繼續(xù)向這個方向變化。如果當(dāng)前時刻的功率小于上一時刻的功率，則表示此時變化方向己經(jīng)偏離最大功率點，應(yīng)該按照和原來給變化方向相反的方向改變。而在變化過程中又應(yīng)根據(jù)所處的狀態(tài)調(diào)整步長的大小。步長即指令電流的變化，可用功率對電壓的變化率表征當(dāng)前的狀態(tài)，步長的大小應(yīng)根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)在光伏電池功率－電壓關(guān)系曲線上所處位置而定。采用功率對電壓變化率的比例放大作為判斷應(yīng)采用步長的依據(jù)。用S函數(shù)實現(xiàn)MPPT，其程序流程圖如圖6所示。

圖6 M PPT流程圖

2.5 鎖相環(huán)方案設(shè)計

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓嚴(yán)格同頻、同相，必須使用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)。鎖相環(huán)是指能夠自動追蹤輸入信號頻率與相位的閉環(huán)控制系統(tǒng)。鎖相環(huán)的實現(xiàn)有模擬鎖相環(huán)（APLL）、數(shù)字鎖相環(huán)（OPLL）、混合鎖相環(huán)（HPLL）及軟件鎖相環(huán)（SPLL），前三種是以硬件方式實現(xiàn)鎖相，有著較為復(fù)雜的硬件電路，后一種則是由輸入信號硬件采樣和鎖相軟件配合實現(xiàn)鎖相。軟件鎖相便于實現(xiàn)DSP控制，靈活性好，并且可以方便地通過軟件設(shè)定來調(diào)整并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓之間的相位差，這意味著可以通過光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入有功功率的同時向電網(wǎng)注入無功功率，實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。

本文采用軟件鎖相，思路是通過捕獲電壓和電流信號的正向過零點來獲得電網(wǎng)電壓和電流的相位信息，通過控制指令電流的相位實現(xiàn)鎖相。S函數(shù)的程序流程圖如圖7所示。

圖7 軟件鎖相環(huán)流程圖

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)獨立供電仿真與分析

不可調(diào)度系統(tǒng)由于沒有蓄電池，無法保證供電的穩(wěn)定性和連續(xù)性，所以通常情況下不獨立帶負(fù)載。但對于不重要的負(fù)載或一些特殊情況，光伏發(fā)電系統(tǒng)也可直接對負(fù)載供電。負(fù)載可分為交流負(fù)載和直流負(fù)載。直流負(fù)載接于升壓變換器的輸出端，如對電壓有嚴(yán)格要求，則無法使用MPPT技術(shù)。本文討論的是接到逆變器輸出端的交流負(fù)載。

獨立帶載的情況下，逆變器要作為穩(wěn)定的電壓源輸出，因此要使用電壓控制，保持輸出電壓恒定。系統(tǒng)的輸出功率由負(fù)載決定，因此無法使用 MPPT技術(shù)。輸出電壓和電流的相位是由負(fù)載決定的，因此用不著鎖相環(huán)。

輸出電壓控制的方法有電壓平均值反饋控制、電壓瞬時值反饋控制、電壓電流雙閉環(huán)反饋控制等。本文采用的是電壓電流雙閉環(huán)反饋，是將電壓平均值反饋同電流控制結(jié)合了起來，既簡單又保證快速和穩(wěn)定。其基本思路是：先實時檢測輸出電壓，將其與給定的標(biāo)準(zhǔn)正弦輸出電壓相比較，得到輸出電壓誤差，再用比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)補(bǔ)償這個誤差得到電流基準(zhǔn)，將它與輸出濾波電感電流瞬時值相減，獲得電流誤差信號，再對這個電流誤差信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到 PWM調(diào)制波，最后與恒頻三角載波比較產(chǎn)生開關(guān)控制PWM脈沖。電路模型如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)獨立帶載的仿真圖

系統(tǒng)輸出電壓和電流波形如圖9所示。系統(tǒng)獨立帶載時，經(jīng)過最初的仿真程序起動時間后，很好的實現(xiàn)了電壓恒定輸出，輸出的電流和電壓都是很好的正弦波形。光伏陣列的輸出功率由負(fù)載決定，當(dāng)負(fù)載過大時，光伏陣列的輸出電壓會下降，系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定；當(dāng)負(fù)載很小時，光伏陣列的輸出功率較低，電池沒有得到很好的利用。

圖9 系統(tǒng)獨立帶輕載輸出波形

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)供電仿真與分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)要與電網(wǎng)相連，應(yīng)保證其輸出滿足電網(wǎng)在電能質(zhì)量方面規(guī)定的指標(biāo)，要求逆變器在負(fù)載或日照變化幅度較大的情況下仍能高效穩(wěn)定運行[9]。太陽能電池的輸出功率與日照、溫度、負(fù)載的變化有關(guān)，這就要光伏發(fā)電系統(tǒng)具有最大功率跟蹤功能，可通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)陣列的最佳運行。并網(wǎng)情況還應(yīng)考慮本地交流負(fù)載，真正輸入電網(wǎng)的并網(wǎng)電流應(yīng)等于逆變器的輸出電流減去負(fù)載電流。如果是電阻性負(fù)載，那么只需要一次鎖相就可以保持同步而不會受MPPT控制下指令電流的幅值變化的影響。如果是電感性負(fù)載，那么隨著指令電流幅值的變化，輸出電流幅值也隨之變化，而負(fù)載電流不變，使得并網(wǎng)電流的大小和相位發(fā)生變化，需要再次鎖相。這就決定了MPPT的輸出變化頻率必須小于鎖相環(huán)的輸出變化頻率。

將光伏陣列、Boost升壓變換器、逆變器、MPPT模塊、鎖相環(huán)模塊連接起來，通過變壓器接到電網(wǎng)上，就構(gòu)成了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真圖。并網(wǎng)變壓器的作用一是使逆變器電壓升到并網(wǎng)所需電壓等級，二是實現(xiàn)電氣隔離。電路模型如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)并網(wǎng)仿真圖

系統(tǒng)輸出的電壓電流波形如圖11所示，可看到輸出呈很好的正弦波形，電壓保持與電網(wǎng)同相、同幅值。仿真過程有意設(shè)計為一開始指令電流與電壓不同相，并且讓系統(tǒng)工作在非最大功率點處。由仿真結(jié)果可以看到，由于鎖相環(huán)的作用，在 0.03s附近電壓電流相位被鎖定，變得同步。而由于最大功率跟蹤技術(shù)的作用，電流輸出在0.08s和0.16s處兩次增大，向最大功率點靠近。

圖11 系統(tǒng)并網(wǎng)仿真輸出波形

5 結(jié)論

本文用Matlab軟件成功建立了單相光伏發(fā)電并網(wǎng)不可調(diào)度式系統(tǒng)的仿真模型，模型包括光伏電池部分、升壓變換器部分、PWM逆變器部分、MPPT模塊和鎖相環(huán)模塊。其中，兩級逆變器中 DC-DC環(huán)節(jié)實現(xiàn)了電壓升高和穩(wěn)壓的雙重作用，DC-AC環(huán)節(jié)通過電流滯環(huán)反饋控制輸出較好的正弦波電流；而確立了變步長擾動觀察法作為最大功率點跟蹤方案，較為有效地緩解了固定步長擾動法本身快速和損耗之間的矛盾；建立了軟件鎖相環(huán)的模型，成功實現(xiàn)了電網(wǎng)電壓和電流的鎖相，保證了較高的功率因數(shù)。

同時還分析了獨立帶載和并網(wǎng)兩種情況下的控制方案，分析了獨立帶載情況下系統(tǒng)的運行特點及采用的控制方案，用電壓電流雙閉環(huán)反饋控制實現(xiàn)了穩(wěn)定的電壓源輸出；在并網(wǎng)供電仿真中，將系統(tǒng)各部分連接起來，用仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)模型的有效性。

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