太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)系統(tǒng)的Matlab仿真研究

楊 濤，胡天友，楊 攀

(1.成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都610106；2.電子科技大學(xué)，四川成都611731；3.重慶長(zhǎng)安新能源汽車有限公司，重慶401100)

太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)系統(tǒng)的Matlab仿真研究

楊 濤1，胡天友2，楊 攀3

(1.成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都610106；2.電子科技大學(xué)，四川成都611731；3.重慶長(zhǎng)安新能源汽車有限公司，重慶401100)

在具有多個(gè)新能源輸入的聯(lián)合供電系統(tǒng)中，一個(gè)多輸入直流變換器(MIC)就可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的多個(gè)單輸入直流變換器的功能，并且達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本的目的。MIC通常需要進(jìn)行能量管理以實(shí)現(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用。首先將多輸入直流變換器系統(tǒng)和單輸入直流變換器系統(tǒng)進(jìn)行了比較，然后以雙輸入Buck變換器為例，分析了雙輸入Buck變換器工作原理。為了驗(yàn)證雙輸入Buck變換器工作原理的正確性，在Matlab中搭建了基于太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)的雙輸入Buck變換器仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了雙輸入Buck變換器工作原理和能量管理策略的正確性。

聯(lián)合供電系統(tǒng)；多輸入直流變換；能量管理；Matlab

能源是整個(gè)人類社會(huì)和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有了能源，人類文明的發(fā)展也將停止。隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展，對(duì)化石能源等不可再生能源的消耗量日益增加，造成能源衰竭、環(huán)境污染等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了社會(huì)的平衡發(fā)展。

新能源作為解決能源危機(jī)、環(huán)境污染的重要途徑之一，已逐漸被人們重視起來(lái)。新能源一般是指可再生能源和無(wú)污染能源，包括太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒉ɡ四?、洋流能和潮汐能等。新能源憑借其清潔無(wú)污染、分布廣泛、可持續(xù)利用等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為了各國(guó)科學(xué)家的研究熱點(diǎn)。但許多新能源受到環(huán)境和天氣的限制，存在供電不穩(wěn)定和不連續(xù)的缺點(diǎn)，因此通常將不穩(wěn)定的新能源與穩(wěn)定的發(fā)電單元結(jié)合起來(lái)，聯(lián)合穩(wěn)定地向用戶提供電能[1]。

多輸入直流變換器(Multiple-Input Converter，MIC)的概念是隨著新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)的發(fā)展而提出的。MIC[2]具有多種工作模式，既可單獨(dú)向負(fù)載供電，又可同時(shí)向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的能量互補(bǔ)。

太陽(yáng)能是一種十分具有潛力的可再生清潔能源，使用易于獲得的市電作為其后備能源可以有效解決其供電不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[3]。本文在Matlab中搭建了基于雙輸入Buck變換器的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真。

1 兩種聯(lián)合供電系統(tǒng)的比較

圖1給出了一種基于多個(gè)單輸入直流變換器的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)?？梢钥闯觯總€(gè)輸入源都各自具有一個(gè)適合其特性的直流變換器對(duì)其進(jìn)行電能變換，然后再并聯(lián)到一條公用的直流母線上。

在圖2中，采用一個(gè)多輸入直流變換代替圖1中的多個(gè)單輸入直流變換器，此系統(tǒng)將多種能源輸入到多輸入直流變換器中，進(jìn)行能量變換后再給負(fù)載提供電能[4]。

圖1 單輸入直流變換器系統(tǒng)

圖2 多輸入直流變換器系統(tǒng)

可以看出，圖2中的系統(tǒng)元器件減少了許多，這樣可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，同時(shí)也可以使得系統(tǒng)控制更加靈活。而且圖1中系統(tǒng)的每個(gè)變換器的輸出并聯(lián)在直流母線上，由于電壓鉗位的原因，同一時(shí)刻只能有一路輸入源向負(fù)載提供電能，并不是嚴(yán)格意義上的能量互補(bǔ)系統(tǒng)。而圖2中的系統(tǒng)通過(guò)合理地控制多輸入直流變換器中的開(kāi)關(guān)管，可以達(dá)到嚴(yán)格意義上的能量互補(bǔ)。

綜上所述，可以看出圖2中的結(jié)構(gòu)比圖1中的結(jié)構(gòu)在聯(lián)合供電系統(tǒng)中更有優(yōu)勢(shì)，圖2中的系統(tǒng)將逐漸取代圖1。

2 雙輸入Buck變換器工作原理

接下來(lái)對(duì)一種典型的多輸入直流變換器系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖3所示，為雙輸入Buck變換器的電路圖。圖中Vin1和Vin2分別是兩路輸入電壓，V1、V2為開(kāi)關(guān)管，VD1、VD2為續(xù)流二極管，Lf和Cf是輸出濾波電感和電容，RLd是負(fù)載。

重新爬上床，卻橫豎睡不著了，身子翻來(lái)覆去，心情也變得煩躁起來(lái)。越不想去聽(tīng)客廳的動(dòng)靜，耳朵卻偏偏側(cè)起來(lái)聽(tīng)。于是又聽(tīng)見(jiàn)小母雞說(shuō)，咯咯咯，他們可真逗。老母雞忙不迭地回應(yīng)，咯咯答，誰(shuí)說(shuō)不是呢？

圖3 雙輸入Buck變換器電路圖

V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，Vin1單獨(dú)向負(fù)載供電。V1截止，V2導(dǎo)通時(shí)，Vin2單獨(dú)向負(fù)載供電。V1、V2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，Vin1、Vin2串聯(lián)向負(fù)載供電。只要合理控制V1、V2的導(dǎo)通與關(guān)閉就可控制兩路輸入源的能量合理分配，并向負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。圖4給出了雙輸入Buck變換器的工作波形。

由以上分析可知，該變換器的平均輸出電壓為：

本文研究的系統(tǒng)采用太陽(yáng)電池作為可再生能源，市電整流作為太陽(yáng)電池的補(bǔ)充能源[5]。在此系統(tǒng)中，可以分為以下三種工作模式：

工作模式1：當(dāng)負(fù)載所需功率小于太陽(yáng)電池的功率時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)電池單獨(dú)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管Q1的占空比可以使變換器工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。Q2始終關(guān)斷，市電不工作。

工作模式2：當(dāng)進(jìn)入晚上或者遇到陰雨天氣，太陽(yáng)電池不能正常工作時(shí)，此時(shí)由市電單獨(dú)供電，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管Q2的占空比可以使變換器工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。Q1始終關(guān)斷，太陽(yáng)電池不工作。

工作模式3：當(dāng)太陽(yáng)電池可以正常工作但功率小于負(fù)載所需功率時(shí)，此時(shí)太陽(yáng)電池與市電同時(shí)供電，控制Q1使太陽(yáng)電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，控制Q2穩(wěn)定輸出電壓，由市電來(lái)補(bǔ)充不足的功率。

圖4 雙輸入Buck變換器的工作波形

3 雙輸入Buck變換器的建模與仿真分析

圖5 仿真模型原理圖

系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池、市電整流、雙輸入Buck變換器、MPPT控制器、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、模式選擇器等模塊構(gòu)成。下面分別介紹各個(gè)模塊的作用和工作原理。

太陽(yáng)電池，即PV模塊，是對(duì)太陽(yáng)電池進(jìn)行的建模，具體參數(shù)在不同仿真模式下進(jìn)行給定，我們?cè)O(shè)置的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù)，即光強(qiáng)(1 000 W/m2)和溫度(25℃)。

MPPT控制器的功能為對(duì)太陽(yáng)電池的電流電壓進(jìn)行計(jì)算后，給出最大功率點(diǎn)電流參考值，輸出到電流調(diào)節(jié)器的輸入端。

AVR模塊是電壓調(diào)節(jié)器，主要作用為穩(wěn)定輸出電壓，讓其跟蹤給定值。電路原理是：輸出電壓與給定值比較以后經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)，然后再通過(guò)PWM生成器就得到PWM2信號(hào)，從而跟蹤給定輸出電壓。經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后的另外一條支路就到了MC模塊，此信號(hào)主要作為系統(tǒng)工作模式的選擇信號(hào)。

MC模塊主要作用為系統(tǒng)工作模式的選擇。其內(nèi)部原理圖如圖6所示，其工作原理為信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)選擇器，作用為當(dāng)大于0時(shí)，選擇器輸出為0信號(hào)，最后輸出的也為零信號(hào)，此模塊對(duì)ACR模塊沒(méi)有影響，此時(shí)對(duì)應(yīng)于工作模式2和模式3；當(dāng)小于0時(shí)，輸出信號(hào)，其中R2和C1的作用為把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，作為ACR的一路給定信號(hào)，此時(shí)對(duì)應(yīng)在模式1。

圖6 MC內(nèi)部原理圖

ASR的主要作用分為兩種模式：當(dāng)太陽(yáng)電池板單獨(dú)供電時(shí)，作為一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器去調(diào)節(jié)輸出電壓；當(dāng)同時(shí)供電時(shí)，其主要作用為使輸出電流跟隨太陽(yáng)電池板的最大功率點(diǎn)電流。工作原理為：輸入由太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)電流、太陽(yáng)電池電流和AVR的輸出信號(hào)組成，這三個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)比較和PI調(diào)節(jié)后，通過(guò)PWM生成器后得到Q1的控制信號(hào)PWM1。

以上是系統(tǒng)的建模過(guò)程，下面通過(guò)系統(tǒng)的仿真分析來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的正確性。

圖7給出了標(biāo)準(zhǔn)狀況下，即太陽(yáng)電池最大功率為450 W時(shí)，太陽(yáng)電池單獨(dú)向負(fù)載供電的系統(tǒng)仿真波形。圖中，是輸出電壓，是輸出電流，是市電整流電壓，是市電整流電流，是太陽(yáng)電池電壓，是太陽(yáng)電池電流。圖8、9中也是如此。此仿真中太陽(yáng)電池最大輸出功率高于負(fù)載功率，太陽(yáng)電池不能以最大功率輸出，控制使太陽(yáng)電池進(jìn)行穩(wěn)壓，市電退出供電。由圖中波形數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到太陽(yáng)電池的功率為200 W，等于負(fù)載功率，工作點(diǎn)不在最大功率點(diǎn)上，輸出電壓可以穩(wěn)定在80 V。

圖7 太陽(yáng)電池單獨(dú)供電仿真波形

將太陽(yáng)電池的光強(qiáng)參數(shù)改為0，此時(shí)太陽(yáng)電池不能正常工作，圖8給出了太陽(yáng)電池不工作時(shí)，市電單獨(dú)向負(fù)載供電時(shí)的穩(wěn)態(tài)仿真波形。此時(shí)市電單獨(dú)供電，太陽(yáng)電池退出供電。由圖中波形數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到市電輸出功率為200 W，等于負(fù)載功率，輸出電壓穩(wěn)定在80 V。

圖8 市電單獨(dú)供電仿真波形

將太陽(yáng)電池的光強(qiáng)參數(shù)設(shè)定為400 W/m2，此時(shí)太陽(yáng)電池的最大功率不足以滿足負(fù)載所需功率，圖9給出了太陽(yáng)電池與市電同時(shí)供電的仿真波形。此時(shí)太陽(yáng)電池輸出最大功率，市電補(bǔ)充不足功率，進(jìn)行穩(wěn)壓。太陽(yáng)電池輸出功率等于150 W，工作在最大功率點(diǎn)上，市電補(bǔ)充剩余的功率，負(fù)載電壓等于80 V。

圖9 太陽(yáng)能與市電同時(shí)供電仿真波形

4 結(jié)論

多輸入直流變換器應(yīng)用在可再生能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，可簡(jiǎn)化電路，縮小系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)通常存在多個(gè)輸入源同時(shí)向負(fù)載供電，其能量管理是此類系統(tǒng)的重點(diǎn)研究對(duì)象。

本文以雙輸入Buck變換器為例，分析了雙輸入Buck變換器的工作原理和工作模式，并在Matlab中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了此系統(tǒng)的正確性和有效性。

[1]盧平.能源與環(huán)境概論[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：6-41.

[2]KIM S K,JEON J H,CHO C H,et al.Dynamic modeling and control of a grid-connected hybrid generation system with versatile power transfer[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on, 2008,55(4):1677-1688.

[3]阮新波，嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000:34-41.

[4]楊東升，楊敏，阮新波.雙輸入Buck變換器的單周期控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1):162-171.

[5]田勤曼.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤控制方法的研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[6]周世瓊，盧智峰，康龍?jiān)?太陽(yáng)電池的建模與仿真[J].深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,10(1)：80-83.

Matlab Simulation study of hybrid power system composed of photovoltaic and commercial Power

In hybrid power systems of multiple inputs,a multiple-input converter(MIC)could realize the function which was realized by traditional single-input converters, which could simplify structure and lower cost of the system.Usually,the MIC needed to conduct power management to realize the priority use of the renewable energy.Two hybrid power systems were compared.Then the principle of the circuit of a double-input Buck converter system was analyzed.The simulation model of the double-input buck converter of the system combined by solar cell and commercial power was built,and simulation was conducted.The simulation results verify the correctness of the principle and power management strategy of the double-input buck converter.

hybrid power system;multiple-input converter;power management;Matlab

TM 47

A

1002-087 X(2016)03-0625-03

2015-08-19

成都市科技項(xiàng)目(11GGYB945GX-070)

楊濤(1969—)，男，四川省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ碳皽y(cè)控。

胡天友，E-mail:hutianyou138@sina.com