基于擾動(dòng)觀察法的智能家庭微電網(wǎng)設(shè)計(jì)

王旭 戴杰 沈贊 劉奕琳 劉樹(shù)鑫

摘要：本文主要對(duì)小型家庭智能微電網(wǎng)進(jìn)行研究，把太陽(yáng)能光伏電池板產(chǎn)生的直流電成功的并入到電網(wǎng)。首先，本文對(duì)光伏電池板的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)（MPPT）跟蹤研究，然后運(yùn)用擾動(dòng)觀測(cè)法設(shè)計(jì)控制策略，通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真。最后，應(yīng)用了光伏發(fā)電電量APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電參數(shù)，用戶可24h全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提高微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的靈活性與方便性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況，確保微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)逆變器;最大功率點(diǎn)跟蹤;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);微電網(wǎng)

一、 緒論

相對(duì)于常規(guī)發(fā)電來(lái)說(shuō)，光伏發(fā)電具有發(fā)電能源可持續(xù)、發(fā)電能量回報(bào)率高、清潔無(wú)污染、無(wú)地域限制、發(fā)電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用布局靈活、維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)、相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著科技發(fā)展，社會(huì)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，光伏發(fā)電技術(shù)將成為解決能源危機(jī)的主要途徑。2010年后，在歐洲經(jīng)歷光伏產(chǎn)業(yè)需求放緩的背景下，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)迅速崛起，成為全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Α?017年度，我國(guó)光伏新增并網(wǎng)裝機(jī)量達(dá)到53GW。2021年我國(guó)國(guó)內(nèi)光伏正式進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，新增裝機(jī)有望達(dá)55GW，到2022年或?qū)⑦_(dá)到65GW。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，到2030年全球光伏累計(jì)裝機(jī)量有望達(dá)1721GW，到2050年將進(jìn)一步增加至4670GW，光伏行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。依托于光伏屋頂?jì)劃和國(guó)家法規(guī)的支持[1]，許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼成功研發(fā)了針對(duì)不同場(chǎng)合的光伏發(fā)電裝置，光伏發(fā)電成為各國(guó)重要的能源結(jié)構(gòu)改革方向。

二、 MPPT最大功率點(diǎn)追蹤

1、 光伏模塊最大功率點(diǎn)

當(dāng)在一樣的外部條件下（光照不變，溫度相同），光伏電池的輸出只有一個(gè)最大功率，只有在輸出電壓等于那個(gè)條件下的值時(shí)，才能使系統(tǒng)的輸出功率達(dá)到最大值，這個(gè)電壓對(duì)應(yīng)的功率P點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn)。

表示太陽(yáng)能電池等效電壓（短時(shí)間內(nèi)可以看成恒定電壓源），為外部負(fù)載的等效電阻值，為太陽(yáng)能電池內(nèi)部的等效電阻值。

則負(fù)載上的功率是：

（2-1）

公式兩邊對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)可得：

（2-2）

從上式可以知道，要想裝置的輸出功率達(dá)到最大值，有且僅當(dāng)與相等時(shí)才能達(dá)到。所以需要不斷的調(diào)整DC-DC變換器的輸出等效電阻，使它的阻值和太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻相等，就能實(shí)現(xiàn)MPPT跟蹤策略了。

2、擾動(dòng)觀察法

目前，最大功率點(diǎn)跟蹤算法成為研究的熱點(diǎn)，技術(shù)也趨向成熟。算法主要有電導(dǎo)增量法，擾動(dòng)觀察法，恒定電壓法等，以及一些智能算法，包括：模糊控制法，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法等[2]。本節(jié)主要應(yīng)用擾動(dòng)觀察法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。

擾動(dòng)觀察法的工作原理：太陽(yáng)能電池同等條件下只有一個(gè)工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)最大功率，只有小型太陽(yáng)能獨(dú)立裝置工作在處時(shí)，有。當(dāng)小型太陽(yáng)能獨(dú)立裝置工作在左邊，有，表示需要給正方向的擾動(dòng);當(dāng)小型太陽(yáng)能獨(dú)立裝置工作在處右邊，有，表示裝置需要給反方向的擾動(dòng)。

擾動(dòng)觀察法的實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為;

（1）先讓太陽(yáng)能電池進(jìn)行工作，此時(shí)采樣記錄下此時(shí)的初始工作電壓;

（2）然后通過(guò)控制算法來(lái)改變DC-DC變換器里的占空比D，此時(shí)給太陽(yáng)能電池的輸出電壓一個(gè)具有周期性（盡量比較?。┑母蓴_電壓（或電流）;

（3）在擾動(dòng)前，通過(guò)DSP采樣的I（K）、U（K）計(jì)算此次的功率P（K），擾動(dòng)后的為P（K+1）;

（4）通過(guò)計(jì)算P（K+1）減去P（K）后的差值是否為零。當(dāng)?shù)闹荡笥?，說(shuō)明擾動(dòng)的方向是正確的，可以繼續(xù)給周期性的擾動(dòng);

（5）否則，需要給裝置反方向的周期干擾。不斷的給裝置周期性干擾，從而使裝置不斷的向處靠近，輸出。

3、仿真分析

所選光伏模塊在環(huán)境溫度25時(shí)，光照強(qiáng)度1kW/m2時(shí)輸出功率為100180W，光照強(qiáng)度0.5kW/m2時(shí)輸出功率為50752W。

通過(guò)改變光伏模塊輸入端的光照強(qiáng)度值，得到如下結(jié)果：環(huán)境溫度25℃時(shí)，光照強(qiáng)度1kW/m2時(shí)輸出功率為100200W，光照強(qiáng)度0.5kW/m2時(shí)輸出功率為50760W，與光伏模塊自帶參數(shù)值接近，驗(yàn)證了仿真的正確性。

三、 智能家居

1、 微電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)用了一款A(yù)ndroid手機(jī)App，用戶可24h全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)[3]。同時(shí)，將手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心有機(jī)結(jié)合，提高微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的靈活性與方便性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況，確保微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài)。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方便用戶實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離觀測(cè)到光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量情況，以及檢測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

2、遠(yuǎn)程監(jiān)控APP

本次使用卓虎智能App對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其中包括充電器電源測(cè)控、光伏發(fā)電計(jì)量和控制開(kāi)關(guān)、進(jìn)戶總表計(jì)量、離網(wǎng)逆變器輸出監(jiān)測(cè)和控制等監(jiān)控項(xiàng)目[4]。

四、 結(jié)論

本文以小型家庭智能微電網(wǎng)為研究對(duì)象，把太陽(yáng)能光伏電池板產(chǎn)生的直流電成功的并入到電網(wǎng)。首先，本文對(duì)光伏電池板的輸出進(jìn)行最大功率點(diǎn)（MPPT）跟蹤研究，然后運(yùn)用擾動(dòng)觀測(cè)法設(shè)計(jì)控制策略，最后通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)電路進(jìn)行軟件仿真，同時(shí)還應(yīng)用了光伏發(fā)電電量APP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電參數(shù)，用戶可24h全天候遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，將手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心有機(jī)結(jié)合，提高微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的靈活性與方便性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況，確保微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮寶剛. 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：江蘇大學(xué)，2018.

[2]黃迅. 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略研究[D]. 華北電力大學(xué)，2019.

[3]劉凱. 分布式光伏電站與抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2020.

[4]王坤. 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)一體化控制器研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 天津：天津工業(yè)大學(xué)，2020.

獲沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：S202110142024