基于Simulink的兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究

國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 ■ 夏元 惲?xí)F 宋昊 吳兆 吳曉麗

0 引言

隨著能源和環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，社會(huì)對(duì)于清潔能源的需求也越來越迫切，光伏發(fā)電得到了快速發(fā)展，各國對(duì)光伏技術(shù)的研究也日益重視。但光伏發(fā)電技術(shù)也存在一些不足之處，如造價(jià)成本高、電池轉(zhuǎn)換效率較低、用于光伏發(fā)電的硅片在制造過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的污染等，而且光伏組件的輸出特性具有明顯的非線性[1]，受太陽輻照度和環(huán)境溫度的影響較大，因此，不能簡單的將光伏組件作為直流電壓源來研究。本文主要基于Simulink模塊下的Subsystem和S-function builder模塊，利用C語言編程簡化太陽電池?cái)?shù)學(xué)模型編程，搭建了改進(jìn)后的實(shí)用性較強(qiáng)的光伏組件仿真模型，不需要復(fù)雜的電池內(nèi)部參數(shù)即可模擬不同輻照度和組件溫度下光伏組件的I-V和P-V特性曲線，然后根據(jù)Boost電路和電壓滯環(huán)跟蹤逆變技術(shù)進(jìn)行了兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真，輸出結(jié)果具有良好的穩(wěn)定性，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究提供了方便。

1 光伏組件建模仿真

1.1 光伏組件的數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電的主要原理是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的一種技術(shù)。在純硅中摻入硼(B)原子形成p型半導(dǎo)體，在純硅中摻入磷(P)原子形成n型半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體在結(jié)合面形成深度為0.2 μm左右的p-n結(jié)；當(dāng)光子照射到p-n結(jié)附近時(shí)，電子吸收光子的能量形成電子-空穴對(duì)，空穴由p極區(qū)向n極區(qū)移動(dòng)，電子由n極區(qū)向p極區(qū)移動(dòng)，從而形成電勢差，若在導(dǎo)體兩端連接導(dǎo)線就會(huì)產(chǎn)生源源不斷的電流。太陽電池的等效電路圖如圖1所示[2]。

圖1 太陽電池的等效電路圖

圖中，hv為光子的能量；Iph為太陽電池的光生電流；ID為流過等效二極管的電流；Ish為流過并聯(lián)電阻Rsh的電流；I為太陽電池的輸出電流；V為太陽電池的輸出電壓。

由圖1可知，太陽電池的輸出電流方程為：

其中：

式中，I0為太陽電池在無光照時(shí)的反向飽和電流；q為電子電荷，取值為1.602×1019C；K為玻耳茲曼常數(shù)，取值為1.38065×10-23J/K；A為太陽電池的二極管曲線因數(shù)；T為太陽電池的溫度；Rs為太陽電池的串聯(lián)電阻。

將式(2)代入式(1)可得：

光伏組件由n個(gè)太陽電池串聯(lián)而成，其等效電路圖如圖2所示[3]。圖中，I1、V1分別為光伏組件的輸出電流和輸出電壓。

圖2 光伏組件的等效電路圖

根據(jù)圖2，光伏組件的輸出電壓方程為：

其中：

在進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)，令I(lǐng)ph=Iph1=…=Iphn，因此，式(4)可變換為：

式(6)中，由于nRsh很大，使遠(yuǎn)小于光生電流Iph，因此該項(xiàng)可忽略；且光伏組件短路時(shí)，其輸出電流I1(此時(shí)為Ish)遠(yuǎn)大于光伏組件二極管正向?qū)娏鱅D，則有Iph=Isc。因此，可將式(6)等效為：

式中，Rs1為光伏組件的串聯(lián)電阻；I0為光伏組件在無光照時(shí)二極管反向飽和電流；Isc為STC條件下光伏組件的短路電流；A1為光伏組件二極管曲線因數(shù)。

光伏組件參數(shù)最直接的來源為組件背板上的在STC條件下的銘牌數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在STC條件下式(7)可轉(zhuǎn)換為：

其中：

式中，Voc為STC條件下光伏組件的開路電壓；Vm和Im分別為STC條件下光伏組件最大功率點(diǎn)處的電壓和電流。

根據(jù)IEC 60891-2009《光伏器件——測定I-V特性的溫度和輻照度校正方法用程序》中的修正公式可知，輻照度和溫度變化所引起的電流和電壓的變化記為ΔI和ΔV，即：

式中，G1為STC條件下的輻照度，取值1000 W/m2；T1為STC條件下的組件溫度，取值為25 ℃；G2和T2分別為任意條件下的輻照度和組件溫度；α和β分別為組件的短路電流溫度系數(shù)和開路電壓溫度系數(shù)。

任意輻照度和組件溫度條件下光伏組件的I-V輸出方程為：

1.2 光伏組件的仿真模型

利用Simulink模塊下的Subsystem和S-function builder模塊，以C語言編程簡化太陽電池?cái)?shù)學(xué)模型編程，搭建了具有電氣屬性的光伏組件仿真模型[5]，如圖3所示。其中，R為光伏組件外接可調(diào)負(fù)載，“out+”和“out-”分別為組件的正、負(fù)極輸出端，Subsystem模塊是光伏組件的模型主體。

圖3 光伏組件仿真模型

光伏組件仿真模型主體Subsystem內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，將組件理解為可控的電流源，在S-function builder模塊內(nèi)部界面用C語言編寫C-MEX文件的S-function，在Matlab主界面設(shè)置MEX-setup來配置編譯器，最終得到光伏組件的仿真模型。通過輸入不同的G2和T2值即可得到不同輻照度和溫度條件下組件的輸出曲線。

圖4 Subsystem模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.3 光伏組件仿真模型的仿真結(jié)果

設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)為G1=1000 W/m2、T1=25 ℃，自動(dòng)調(diào)節(jié)外接負(fù)載R的電阻值大小，對(duì)組件輸出電壓、輸出電流進(jìn)行連續(xù)采樣，將采樣的數(shù)據(jù)繪制成I-V曲線，如圖5a所示。同時(shí)，在不同輻照度和溫度條件下，對(duì)光伏組件P-V特性曲線進(jìn)行仿真繪制，如圖5b所示。在仿真過程中減小仿真步長，增加數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，可以提高曲線的平滑度?？梢钥闯?，圖5中的曲線均具有良好的穩(wěn)定性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的有效性。

圖5 光伏組件的仿真曲線

2 兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真

在Simulink下搭建了兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型，光伏陣列由2個(gè)組串(每個(gè)組串由9塊光伏組件串聯(lián)而成)并聯(lián)組成36 kW的仿真系統(tǒng)。利用Boost電路對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓進(jìn)行提升，同時(shí)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行采集，然后作為反饋信號(hào)傳送至MPPT Control模塊，通過對(duì)前后采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而輸出不同數(shù)值的占空比PWM波作為控制信號(hào)來控制MOS管的通斷，形成閉環(huán)控制[6]，在電壓滯環(huán)跟蹤閉環(huán)控制方式下得到所需要的輸出波形。整個(gè)兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型如圖6所示。

圖6 兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型

2.1 DC/DC升壓硬件單元

為保證逆變器直流側(cè)的母線電壓高于逆變器交流側(cè)的峰值電壓，通常采用Boost升壓電路進(jìn)行配置，將光伏陣列輸出電壓升高到逆變器所需要的水平，同時(shí)可以根據(jù)DC/DC電路進(jìn)行光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤。其原理是通過改變MOS管開關(guān)器件的占空比來改變Boost模塊輸入側(cè)等效阻抗[7]，公式可表示為：

式中，Vi和Ii分別為Boost模塊的輸入電壓和輸入電流；D為MOS管器件門極輸入信號(hào)占空比；Rout為輸出側(cè)的等效阻抗。

2.2 MPPT控制建模

本文采用一種改進(jìn)式擾動(dòng)觀察法(P & O)，通過對(duì)光伏陣列的輸出電壓和輸出電流同時(shí)進(jìn)行采樣，用乘法器計(jì)算光伏陣列的輸出功率，再與儲(chǔ)存的前一時(shí)刻的值進(jìn)行比較，從而控制ΔU的正向或負(fù)向擾動(dòng)[8]；將每次擾動(dòng)步長進(jìn)行累積，然后與鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，從而輸出PWM波來控制MOS管的通斷，原理如圖7所示。以鋸齒波表示載波信號(hào)的優(yōu)勢在于當(dāng)前累積的擾動(dòng)步長值等于此刻的占空比，擾動(dòng)步長越小，則跟蹤精度越高，從而使光伏陣列工作狀態(tài)更接近最大功率點(diǎn)。MPPT仿真模型如圖8所示。

圖7 PWM波產(chǎn)生

將戶外實(shí)際光伏電站某一天中午時(shí)間段內(nèi)采集到的輻照度和組件溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到該時(shí)間段內(nèi)輻照度和組件溫度的曲線，如圖9所示。

圖8 MPPT仿真模型

圖9 輻照度和組件溫度的曲線

分別在STC恒定條件及圖9所示輻照度、組件溫度變化的條件下，對(duì)光伏陣列模型的最大功率點(diǎn)進(jìn)行仿真，通過Simulink的From Workspace模塊將圖9中實(shí)際采集的輻照度和組件溫度變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入到光伏陣列仿真模型中，得到如圖10所示的波形。

在仿真模型中，由于未對(duì)光伏陣列母線電容C1設(shè)置初始電壓值，電容C1預(yù)先充電，從而使光伏陣列的實(shí)際輸出功率在仿真起始階段呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，系統(tǒng)在0.06 s基本趨于穩(wěn)定。圖10a中的最大輸出功率跟蹤曲線具有良好的穩(wěn)定性。由于圖9中的輻照度和溫度時(shí)刻無規(guī)律變化，導(dǎo)致圖10b中跟蹤的最大輸出功率隨之變化。圖9中，在0.14～0.20 s時(shí)間段內(nèi)，輻照度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而溫度波動(dòng)幅度小，導(dǎo)致該時(shí)間段內(nèi)光伏陣列總的最大輸出功率逐漸降低。圖10b中最大輸出功率跟蹤曲線的后半部分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

圖10 最大功率跟蹤曲線

3 DC/AC模塊仿真

傳統(tǒng)單相交流電壓的峰值和頻率分別為311 V和50 Hz，為獲得該類型的交流電壓，本文采取電壓滯環(huán)跟蹤式PWM逆變電路，通過負(fù)載電壓反饋信號(hào)與指令電流信號(hào)的比較產(chǎn)生PWM脈沖[9-10]，從而控制橋臂上的IGBT管通斷。其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 電壓滯環(huán)跟蹤工作原理

通過對(duì)環(huán)寬為2ΔU的滯環(huán)比較器進(jìn)行控制，逆變輸出交流電壓就在Vref+ΔU與Vref-ΔU范圍內(nèi)。當(dāng)Vref電壓指令信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，從輸出交流電壓V中濾去由功率器件通斷所產(chǎn)生的高次諧波后，所得的輸出交流電壓波形幾乎和Vref波形相同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓閉環(huán)跟蹤控制。本文中將Vref幅值設(shè)置為311 V，頻率為50 Hz，濾波電容C3為30 μF，濾波電感L1為1.5 mH，其逆變輸出交流電壓和輸出交流電流波形如圖12所示。

圖12 逆變輸出交流電壓和輸出交流電流波形

光伏陣列仿真離網(wǎng)輸出的交流電壓、交流電流波形保持了良好的正弦度，且相位一致。對(duì)輸出交流電壓進(jìn)行離散傅里葉分析，得到各次諧波含量的對(duì)比結(jié)果如圖13所示。

圖13 逆變輸出交流電壓的離散傅里葉分析結(jié)果

離網(wǎng)輸出交流電壓的THD=1.07%，滿足GB/T 19964-2012標(biāo)準(zhǔn)中的限值要求，輸出交流電壓諧波含量小，質(zhì)量較好，可靠性高。

4 總結(jié)

本文基于S imulink搭建了光伏陣列的仿真模型，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，針對(duì)光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤問題提出了一種改進(jìn)式的擾動(dòng)觀察法；然后結(jié)合Boost升壓電路搭建了MPPT仿真模型，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，仿真系統(tǒng)能夠跟隨變化做出相應(yīng)補(bǔ)償調(diào)整；最后基于電壓滯環(huán)跟蹤的控制方式對(duì)兩級(jí)式單相離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，波形輸出質(zhì)量較好，對(duì)實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。