基于Simulink的光伏發(fā)電Boost三相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的研究

石濤，李國銀，蔡維，谷翠軍

（1.重慶軌道四號線建設(shè)運營有限公司，重慶，401133；2.重慶中車四方所科技有限公司，重慶，401133）

0 前言

我國是世界上主要的能源生產(chǎn)和消費大國之一，也是少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一，提高能源利用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源和可再生能源是實現(xiàn)我國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展在能源方面的重要選擇。隨著我國能源需求的不斷增長，以及化石能源消耗帶來的環(huán)境污染的壓力不斷加劇，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到國家的重視和社會的關(guān)注[1-2]，而太陽能光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點，使其研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)以及市場開拓已經(jīng)成為令世界各國，特別是發(fā)達國家激烈競爭的主要熱點。

目前，有很多的學(xué)者外對光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變系統(tǒng)已經(jīng)開展了深入的探究，研究了幾類電路形式[3]，主要有:(1)利用三相逆變器實現(xiàn)光伏并網(wǎng)。這種方法具有簡單的結(jié)構(gòu)、便宜的成本等優(yōu)點，但是此結(jié)構(gòu)的輸入直流量比較大，且沒有采用MPPT控制策略，導(dǎo)致電路形式不易改進。因此在功率比較大的光伏系統(tǒng)中應(yīng)用較多[4]。(2)給光伏逆變器配備工頻變壓器，相比第一種方法，該方法結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜，但這種電路拓撲可以實現(xiàn)高頻控制，所以適用于高頻電路。(3)通過高頻逆變，使得光伏陣列轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的交流電壓，進一步整流后濾波得到最終的直流電。對該直流電進行工頻逆變[5]。

本論文首先搭建光伏陣列數(shù)學(xué)模型，做為整個系統(tǒng)的電源輸入信號。然后，在建立光伏序列數(shù)學(xué)與仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合了MPPT和下垂控制控制方法，實現(xiàn)閉環(huán)控制，確保PWM發(fā)波可以實時跟蹤系統(tǒng)性能給定，通過切換控制可以使得系統(tǒng)能夠運行在最佳狀態(tài)。其次，搭建DCDC Boost電路實現(xiàn)升壓，將光伏板產(chǎn)生的電壓升高，其輸出電壓作為三相逆變電路的輸入。設(shè)計三相逆變電路，將直流電逆變?yōu)槿郃、B、C交流電，并將其接入電網(wǎng)，實現(xiàn)并網(wǎng)調(diào)節(jié)。最后，為了驗證提出的方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性和正確性，最后根據(jù)建立的整個三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，對之前所敘述的內(nèi)容進行了仿真驗證，結(jié)果證明了所提方法的有效性與正確性。

1 光伏電池陣列數(shù)學(xué)模型的搭建

■1.1 MPPT控制算法的設(shè)計

MPPT(Maximum Power Point Trace)控制技術(shù)又稱最大功率點追蹤技術(shù)，即與一條I-V曲線相對應(yīng)，就會有一個太陽能電池的最大功率輸出點。光伏電池輸出特性曲線(I-U及P-U曲線)如圖1所示，輸出特性曲線是對光伏電池進行控制時的重要依據(jù)。很多MPPT方法利用P-U曲線先增后減的單峰函數(shù)特性，以dP/dU=0為MPPT控制目標。

圖1 光伏電池輸出特性曲線

光伏電池在任意光強與溫度下的輸出特性曲線，輸出特性曲線隨光強與溫度變化趨勢如圖2所示，其中Isc為光伏電池短路輸出電流，Uoc為光伏電池開路電壓，Im為光伏電池最大功率點電流，Um為光伏電池最大功率點電壓。在一般的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤多用于陣列后端的升壓變換器(亦稱Boost變換器)或降壓變換器(亦稱Buck變換器)，此時可直接控制其輸出電壓以調(diào)節(jié)輸出功率，借此來獲得擾動觀察信號實現(xiàn)MPPT控制。

圖2 光伏電池輸出特性曲線隨光強S和溫度T變化趨勢

■1.2 Boost升壓電路的設(shè)計

Boost電路實現(xiàn)升壓，將光伏板產(chǎn)生的電壓升高，其輸出電壓作為三相逆變電路的輸入，升壓電路如圖3所示，其中，電感的作用是將電能和磁場能相互轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件，當(dāng)MOS開關(guān)管閉合后，電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存起來，當(dāng)MOS斷開后電感將儲存的磁場能轉(zhuǎn)換為電場能，且這個能量在和輸入電源電壓疊加后通過二極管和電容的濾波后得到平滑的直流電壓提供給負載，由于這個電壓是輸入電源電壓和電感的磁碭能轉(zhuǎn)換為電能的疊加后形成的，所以輸出電壓高于輸入電壓，既升壓過程的完成；肖特基二極管主要起隔離作用，即在MOS開關(guān)管閉合時，肖特基二極管的正極電壓比負極電壓低，此時二極管反偏截止，使此電感的儲能過程不影響輸出端電容對負載的正常供電；因在MOS管斷開時，兩種疊加后的能量通過二極向負載供電，此時二極管正向?qū)?，要求其正向壓降越小越好，盡量使更多的能量供給到負載端。

圖3 Boost升壓電路

■1.3 三相逆變電路接電阻負載和電網(wǎng)

考慮到將電網(wǎng)看作是穩(wěn)定的電壓源，為了防止產(chǎn)生并網(wǎng)電流的畸變和電路回路的環(huán)流，一般情況下使用電流控制的電壓源型逆變器作為主電路。

眾所周知，逆變器是根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的，而開關(guān)管的導(dǎo)通信號是由調(diào)制波與載波相比較得到的。常用的調(diào)制方法有單/雙極性正弦脈沖寬度調(diào)制、空間矢量脈沖寬度調(diào)制、指定諧波消除脈沖寬度調(diào)制，其中最為實用且最好的調(diào)制方法為電壓型SVPWM調(diào)制算法，該方法的思想雖來源于交流異步電機變頻調(diào)速，但現(xiàn)在已廣泛用于交流調(diào)速以外的三相電力電子變換和控制系統(tǒng)中。

為了便于分析與理解，對三相并網(wǎng)逆變電路進行簡化，設(shè)直流母線端的母線電壓為Udc，可以得到簡化電路為圖4所示。

圖4 三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 MATLAB/Simulink仿真搭建及驗證

■ 2.1 光伏電池陣列建模

光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電源，圖5為典型光伏電池模型。光伏電池模型由等效光控電流源、并聯(lián)二極管、串并聯(lián)電阻組成。

圖5 光伏電池單元模型

光伏電池由于光伏效應(yīng)，接受光照時會產(chǎn)生光生電流Iph，其值隨光輻射強度增強而增大，隨光伏電池溫度增大而減小，使光伏電池輸出外特性隨之變化；光伏電池本質(zhì)上為PN結(jié)，存在等效并聯(lián)二極管電流Id，也稱為暗電流；Id的大小反映了光伏電池PN結(jié)在當(dāng)前環(huán)境下所能產(chǎn)生的總擴散電流。Rsh為光伏電池的串聯(lián)等效電阻，也稱為旁路電阻，產(chǎn)生漏電流Ish，一般由于材料的不純等電池體內(nèi)缺陷造成；Rs為串聯(lián)等效電阻，稱為等效內(nèi)阻，由光伏電池的體電阻、表面電阻及接觸電阻等組成。

由圖6可以看出，光伏陣列的輸出電流大約為28A，其電壓有最大值300V逐漸減小至50V。

圖6 光伏陣列的輸出電流、電壓波形

■ 2.2 Boost升壓電路

Boost電路的仿真模型如圖7所示，Boost電路的電感為30mH，輸入側(cè)電容為100μF，輸出側(cè)穩(wěn)壓電容為2200μF，其輸入輸出電壓波形如圖8所示。

圖7 Boost電路的仿真模型

圖8 Boost電路的輸出電壓波形

■2.3 三相電壓型逆變并網(wǎng)

三相逆變電路并網(wǎng)仿真模型如圖9所示中，仿真中輸出電流經(jīng)過RLC濾波，電阻R的值為1W，電感L的值為1mH，電容C的值為1μF，無功補償為10kvar，三相變壓器容量為100kVA。三相輸出電壓、電流波形分別如圖10和11所示，從圖中可以看出，輸出電流幅值為6 28A，且A、B、C三相電流互差120度，輸出電壓幅值為4300V，且A、B、C三相電壓互差120度，電壓電流的正弦度均良好。

圖9 三相逆變電路并網(wǎng)仿真模型

圖10 三相并網(wǎng)電壓波形

3 結(jié)束語

光伏發(fā)電及直流微電網(wǎng)供電技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，本文研究了以光伏發(fā)電系統(tǒng)為發(fā)電源組成的三相逆變并網(wǎng)電能控制技術(shù)，包括各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、控制策略。根據(jù)光伏電池模型與輸出特性，建立相應(yīng)的仿真模型并結(jié)合MPPT和下垂控制策略實現(xiàn)Boost升壓的PWM控制。設(shè)計了三相逆變電路并對電網(wǎng)配置進行了設(shè)置，最終搭建MATLAB/Simulink模型實現(xiàn)了基于光伏升壓三相逆變并網(wǎng)的功能。

圖11 三相并網(wǎng)電流波形