光柴互補(bǔ)系統(tǒng)建模與改進(jìn)MPPT控制策略

曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

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光柴互補(bǔ)系統(tǒng)建模與改進(jìn)MPPT控制策略

曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

(上海海事大學(xué)，上海201306)

介紹了光伏電池原理，在MATLAB/Simulink中建立了光柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。采用Matlab的S函數(shù)編寫了光伏電池MPPT控制器控制方法，并在當(dāng)負(fù)載吸收功率小于光伏電池輸出功率時，對控制器進(jìn)行了改進(jìn)，以防止功率流入柴油發(fā)電機(jī)。仿真得到負(fù)載工況變化下系統(tǒng)的功率、電壓曲線，驗(yàn)證了改進(jìn)的MPPT控制器的可行性。

光柴互補(bǔ)系統(tǒng) 建模 改進(jìn)MPPT控制 S函數(shù)

0 引言

微電網(wǎng)是指將需求區(qū)域內(nèi)分布的小型發(fā)電單元（分布式電源）、儲能裝置以及需求區(qū)域內(nèi)負(fù)荷組織起來而形成的發(fā)電、變電、輸電、配電系統(tǒng)，目前研究內(nèi)容包括：微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真建模與應(yīng)用；微網(wǎng)系統(tǒng)分布式電源最大功率輸出與并網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析和優(yōu)化調(diào)控設(shè)計(jì)等。光伏發(fā)電有離網(wǎng)獨(dú)立供電和并網(wǎng)供電兩種工作方式[1]。

本文在Simulink中建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型、柴油發(fā)電機(jī)模型、功率控制系統(tǒng)，以及分工況負(fù)載系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了最大功率控制器，同時，根據(jù)負(fù)載的不同情況對MPPT控制器進(jìn)行了改進(jìn)。通過系統(tǒng)仿真圖分析，驗(yàn)證了改進(jìn)MPPT控制器符合預(yù)期。

1 光伏發(fā)電

1.1發(fā)電原理

目前，光伏電池大多由半導(dǎo)體元素硅元素組成，摻雜一些其他的原子。光伏電池大多由薄的硅晶圓組成，分為上層N-層與底層P-層。上層比較薄，摻雜了磷原子，而下層厚一些，摻雜了硼原子，作為襯底，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

硅原子的價電子層具有四個電子，硅原子之間有共價鍵，形成硅晶體，無自由移動的電子。摻雜的磷原子最外層有五個電子。這樣，在N-層中則出現(xiàn)了多余的電子。當(dāng)太陽光照射到N-層表面，光子撞擊的能量大于原本的共價鍵之間的作用力時，共價鍵被破壞，此時，多余的電子發(fā)生移動。另一方面，由于在P-層摻雜了硼原子，硼原子的價電子層有三個電子，這樣在P-層晶體中產(chǎn)生了“空穴”。這些“空穴”實(shí)質(zhì)上是由于共價鍵配對過程中，缺失的電子形成的。此時，當(dāng)從N-層移動的電子運(yùn)動到P層時，正好填充了配對缺失電子而形成的“空穴”，看起來相當(dāng)于“空穴”在移動。

圖1 光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖

電子不斷地移動與“空穴”相配對，從而在P-層與N-層相交處形成了PN結(jié)。由于“空穴”的不斷移動，聚集在PN結(jié)與N-層相交處，從而在PN結(jié)中產(chǎn)生電場，稱為內(nèi)建電場。該電場不僅使得N-層電子移動到PN結(jié)附近，同時也阻止P-層電子的反向移動，即從P-層運(yùn)動到N層。當(dāng)外接電路負(fù)載時，N-層內(nèi)部移動至PN結(jié)的電子，由P-層移動的電子所補(bǔ)充。亦可以理解為P-層向PN結(jié)運(yùn)動的“空穴”被流入來自光伏電池背面的電子所填充。從而在外部電路形成電流，持續(xù)的對外部負(fù)載做功。

1.2光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的發(fā)電原理是十分復(fù)雜的，圖2給出了該復(fù)雜原理的等效電路。

圖2 光伏電池等效電路

圖2中，I為光生電流，大小取決于光照強(qiáng)度、材料等；I為二極管電流；R，I分別為對地漏電阻，旁路漏電流，理想情況下為無窮大；R為光伏電池等效內(nèi)阻，理想情況下為0；一般情況下，與PN結(jié)深度、雜質(zhì)等有關(guān)；V分別為輸出端電流、開路電壓。

2 MPPT控制以及改進(jìn)方法

2.1 MPPT控制方法簡介

光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化具有非線性特性，因此在特定的環(huán)境下存在著唯一的最大功率點(diǎn)（MPP）[2]。為了最大效率的轉(zhuǎn)化太陽能，最大功率點(diǎn)跟蹤就成為光伏發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一個環(huán)節(jié)[3]。最大功率點(diǎn)作為功率輸出的最優(yōu)點(diǎn)，需設(shè)計(jì)最大功率跟蹤控制器來逼近甚至穩(wěn)定在該點(diǎn)。MPPT控制方法主要有擾動觀察法（P&O法）和電導(dǎo)增量法（INC法）[4]。

圖4 光伏電池V-P曲線(,)

本文采用電導(dǎo)增量法設(shè)計(jì)最大功率控制器[5]。在P-V曲線上，最大功率點(diǎn)左側(cè)，Δ/Δ為正值，最大功率點(diǎn)Δ/Δ為零，最大功率點(diǎn)右側(cè)，Δ/Δ為負(fù)值。所以，只要當(dāng)Δ/Δ為正值，則增大電壓Δ；而當(dāng)Δ/Δ為負(fù)值，則減小電壓Δ。對于一直保持零值，則是不太可能的，針對這樣一種情況，在零附近設(shè)置可行性區(qū)間[, 0],[0,]，的值在此區(qū)間內(nèi)則認(rèn)為此時已經(jīng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。

圖5 改進(jìn)MPPT控制流程圖

2.2 MPPT控制器改進(jìn)

MPPT控制器始終追蹤最大功率，會出現(xiàn)輸出功率大于負(fù)載功率的情況。此時，由于本系統(tǒng)沒有儲能系統(tǒng)，功率會流入柴油發(fā)電機(jī)，造成事故。所以，此時必須對光伏電池的輸出功率進(jìn)行控制。那么，原來追蹤最大輸出功率的MPPT控制器必須按需改進(jìn)。本文基于實(shí)際情況中，負(fù)載端負(fù)載變化快的因素，通過采集柴油發(fā)電機(jī)端的功率流向進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。當(dāng)功率流入柴油機(jī)時，即時的限制光伏電池的功率，從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)，同時符合負(fù)載的功率要求。其控制流程如圖5，其中Ps為柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)出功率。

在控制器設(shè)計(jì)中引入了柴油發(fā)電機(jī)功率的測量及功率方向，是改進(jìn)控制器設(shè)計(jì)的核心部分。

3 Simulink系統(tǒng)搭建與仿真

3.1系統(tǒng)Simulink搭建

本文仿真模型采用SPR-305E-WHT-D模塊，由5個電池模塊串聯(lián)形成電池組件，66個電池組件并聯(lián)形成電池陣列，此時，輸出功率最大為 100.7 kW。基于MATLAB/Simulink建立了SE-DS系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。其中，光伏曲線與溫度曲線是利用Signal Builder 模塊建立的光伏與溫度數(shù)據(jù)輸入曲線；PV Array是光伏電池模塊組，是根據(jù)光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型等效電路建立的；MPPT控制器是利用S函數(shù)模塊建立的，根據(jù)改進(jìn)MPPT控制方法建立最大功率控制器。Boost變換器是boost升壓變換電路，其輸出電壓高于輸入電壓的直流變換器。三相橋是三相橋式電路的簡稱，是將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電供負(fù)載使用的裝置。

圖6 SE-DS系統(tǒng)Simulink模型

VSC控制器模塊控制三相橋式電路，將boost變換器輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需交流電壓，并保持單位功率因數(shù)。系統(tǒng)由兩個控制回路組成，一個回路將直流電壓調(diào)節(jié)為所需電壓的直流控制回路，回路輸出I參考電流；另一個是調(diào)節(jié)I（直流控制回路產(chǎn)生的參考電流）和I的控制回路。I電流基準(zhǔn)設(shè)為零，以保持單位功率因數(shù)[4]。根據(jù)參考電壓電流，產(chǎn)生控制三相橋式電路的脈沖，滿足負(fù)荷的需求。柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)作為另一電源系統(tǒng)，原動機(jī)帶動同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生具有額定電壓與頻率的三相電源。

3.2系統(tǒng)仿真

1）負(fù)載功率大于光伏電池功率的工況

光伏電池功率為100 kW，柴油發(fā)電機(jī)的功率為200 kW，負(fù)載在2 s時負(fù)載由150 kW增加到250 kW?？梢姡?fù)載功率大于光伏電池的最大功率。仿真結(jié)果如圖7。

由功率曲線可知，光伏電池發(fā)出的功率隨著光照強(qiáng)度以及溫度，輸出功率不斷增加，但是由于負(fù)載功率大于光伏電池發(fā)出的功率，柴油發(fā)電機(jī)介入，使得發(fā)出的功率滿足負(fù)載的功率。在2 s時由于負(fù)載突變系統(tǒng)發(fā)生波動，柴油機(jī)發(fā)出的功率進(jìn)一步增加，以滿足負(fù)載的需求。而對于電壓，在2 s時由于負(fù)載增加，系統(tǒng)發(fā)生波動，但是，很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時，改進(jìn)的MPPT控制器并未發(fā)生作用。

2）負(fù)載功率小于光伏電池功率的工況

為了研究這種情況，將負(fù)載的功率調(diào)節(jié)至90 kW，小于光伏電池提供的最大功率。再進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖8。

此時，光伏電池在1.3 s時，對比輸出功率（1）中工況可知，此時，光伏電池功率并未超過負(fù)載功率90 kW，而是在90 kW處波動，這歸功于MPPT控制器的調(diào)節(jié)。由于在MPPT控制器的設(shè)計(jì)中，對柴油發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行了檢測，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)功率小于等于零時，改進(jìn)的MPPT控制器及時的限制光伏電池的輸出功率。此時的柴油機(jī)發(fā)出的功率為零，達(dá)到了節(jié)能的效果。

4 總結(jié)

本文在光伏電池的數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上，建立了光柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。針對負(fù)載功率小于光伏電池發(fā)出的功率，會出現(xiàn)功率流入柴油機(jī)從而造成事故的，改進(jìn)了利用電導(dǎo)增量法設(shè)計(jì)的MPPT控制器。通過Simulink仿真，說明了在負(fù)載大于和小于光伏電池最大功率的工況下，改進(jìn)的MPPT控制器是可行的。

[1] 郭琦, 趙子玉. 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 電氣技術(shù), 2012, (3): 20-24

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[3] Masoum M A S, Dehbonei H, Fuchs E F．Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltageand current-based maximum power-point tracking[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2002, 17(4): 514-522.

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[5] 楊永恒, 周克亮. 光伏電池建模及MPPT控制策略[M]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011.

Modeling of Solar-diesel Hybrid System and Control Strategy of Improved MPPT

Cao Yi, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Hou Shuqi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM914

A

1003-4862（2017）08-0069-04

2017-04-14

曹益（1989-），男，在讀碩士研究生。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 305453129@qq.com