基于Ma t l a b/S i mu l i n k的光伏系统仿真研究

高俊营，龚信华，王飞龙，董博，常迪

（1.华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003；2.华北电力大学研究生院，河北保定071003；3.华北电力大学经济与管理学院，河北保定 071003）

随着当前世界能源短缺危机日益严重和节能减排战略计划的推进，世界各国都开始着重开发利用绿色可再生能源，以期缓解能源和环境的巨大压力。太阳能发电，风能发电，燃料电池和高速飞轮等清洁无污染、分布范围广、可以分散建设、就地发电、使用寿命长且维护简单等诸多优势得到各国的广泛关注。

据预测，太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。

本文以小型光伏发电系统为例来模拟大规模光伏系统的并网，本文将光伏系统分成3个模块进行仿真研究，分别是光伏阵列模块、DC/DC及MPPT模块和DC/AC模块。

1 光伏阵列建模

太阳能电池I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，可以认为太阳能电池的I-V方程含有日照强度和电池温度作为参变量。通常日照强度S变化范围为0～l 000 W/m2，电池温度变化范围为10～70℃。

1.1 光伏电池模型的建立

1.1.1 光伏电池数学模型的建立[1-4，7]

图1为光伏电池的等值电路[1-2]，介绍了光伏电池的原理及参数，其中各个参数的代表含义见下。

图1 光伏电池的等值电路Fig.1 The equivalent circuit of PV cells

具体参数：Iph:光生电流；ID:暗电流；IL:负载电流；Uoc:开路电压；Rs:串联电阻；Rsh:旁路电阻。

其中的电流关系满足：

根据电流关系，列出等值电路的电流关系表达式为：

忽略串联电阻和并联电阻，可得：

标准测试条件Snom=1000 W/m2，Tnom=25℃下，将上式表示为[3]：

式（3）中的C1、C2分别为，其中：

一般工况下，辐照度S和温度T与标准工况的相应参数的差为：

一般工况下的参数计算：

1.1.2 光伏电池Simulink模型的建立

根据上面的原理分析和参数介绍，进行Simulink模型的搭建，然后根据不同温度、光照度条件下电池输出特性进行研究。单个电池的Simulink仿真模型的封装见图2。

图2 光伏电池封装图Fig.2 The package diagram of PV cells

单块电池的Simulink仿真模型见图3[4]。

图3 单块电池的仿真模型Fig.3 The simulation model of single cell

1.1.3 输出特性研究[5]

根据不同温度和不同光照度下电池模型的输出特性进行研究，主要选取了5组数据进行对比仿真，其中将功率-电压曲线和电流电压曲线分开研究。通过输出波形可以清楚地表现电池的输出特性。

第一组：温度15，光照度1000 W/m2

第二组：温度25，光照度1000 W/m2

第三组：温度35，光照度1000 W/m2

第四组：温度25，光照度900 W/m2

第五组：温度25，光照度1100 W/m2

下面介绍光伏电池的输出特性曲线，见图4~图7。

1.2 电池阵列的实现

电池阵列采用八串四并的形式，见图8，依据分压原理和电流的输出特性，将光伏阵列电压的八分之一作为电池模块的电压输入。

图4 不同温度下的伏安特性曲线Fig.4 I-U characteristic curve under different temperature

图6 不同光照强度下的伏安特性曲线Fig.6 I-U characteristic curve under different light intensity

电池阵列在串并之前做了一些处理，将光伏电池的电流输出通过控制电流源并电阻转换成电压，以便于电池的串并联，然后在此基础上进行串并，形成太阳能阵列，控制电流源并电阻的模型见图9。

图8 电池阵列模型Fig.8 PV array model

图9 电流源并电阻模块Fig.9 Current source and the resistance module

图5 不同温度下的功率特性曲线Fig.5 Power characteristic curve under different temperature

图7 不同光照度下的功率特性曲线Fig.7 Power characteristic curve under different light intensity

2 DC/DC和最大功率跟踪

2.1BOOST升压电路

在DC/DC变换模块中使用BOOST升压电路[6]，使变换后的电压达到500 V。开关使用IGBT模块，控制信号由MPPT模块控制的PWM模块提供。

图10为升压式变换电路示意图，当开关Q导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时Vin=VL。当开关Q截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时V0=Vin+VL。所以，输出电压大于输入电压。

图10 Boost电路拓扑图Fig.10 Boost circuit topology

2.2 最大功率跟踪模块

MPPT的控制有很多方法，这里采用的是扰动法[4，7]。扰动观察法具有控制简单、清晰、被测参数少等优点。在光照和温度不变的情况下，光伏特性曲线是1个以最大功率点为极大值（最大值）的单峰函数，扰动观察法就是对这个单峰函数的寻优过程。通过对电压进行小扰动，判断功率输出的变化方向，进而向最大功率点逼近，MPPT的流程图如图11所示。

图11MPPT控制流程图Fig.11 MPPT control flow chart

2.3 仿真模型及曲线

DC/DC实现MPPT的Simulink模型见图12。

图12DC/DC模块仿真模型Fig.12 DC/DC module simulation model

设初始光照强度为S=1000 W/m2，T=25℃。图13和图14分别为当光照和温度发生变化时，通过MPPT控制所得系统的动态仿真图形[7]。

图13 光照由1000 W/m2变为500 W/m2时的MPPT仿真图Fig.13 MPPT simulation diagram when the light changed from 1000 W/m2to 500 W/m2

图14 光照由25℃变为75℃时的MPPTFig.14 MPPT simulation diagram when the light changed from 25℃to 75℃

3 光伏系统通过VSC并网

VSC是基于电压源的换流器，它利用脉宽调制技术（PWM）的控制方法，进行直流输电，以全控型的功率器件如IGBT作为开关器件，使得VSC具有可独立调节有功和无功功率的优点，可以向无源网络送电，克服了传统直流输电的本质缺陷[6]。

3.1 同步坐标系直接电流控制技术原理

电压型三相并网逆变器在工作时要求在稳定直流侧电压的同时，实现交流侧在单位功率因数条件下的正弦波电流控制。本模型采用直接电流控制，相对于电流间接控制增加了电流闭环控制，网侧的电流闭环控制使控制系统的动态跟随性大大提高、使控制系统的静态误差大大降低；同时也使网侧电流的控制对系统参数不敏感，使系统的抗扰性大大提高[8]。

同步坐标系直接电流控制技术从控制的角度讲就是在旋转坐标系下的固定开关频率直接电流控制技术。为了让系统实现输出无静差，有较好的动态和稳态特性，采取对前馈电压解耦控制从而实现无功电流和有功电流的独立控制。控制框图如图15所示。

图15 基于同步坐标系直接电流控制技术的双环控制框图Fig.15 The double loop control block diagram based on the synchronous frame

控制框图如图15所示，其中的坐标变换模块需要由锁相环模块提供相应的相位角。采集三相交流电网电压和电流进行（a-b-c）坐标系到（d-q）坐标系的变换，电网电动势矢量以 d轴定向，对应d、q轴的电流电压分量分别为id、iq、ed，且满足：

式中，Em为电网电动势峰值，id为有功电流分量，iq与d轴垂直，即与电网电压矢量垂直，故为无功电流分量。三相电压型并网逆变器在两相旋转坐标系（dq）下的数学模型可表示为：

id和iq相互耦合，不能实现独立控制，所以该数学模型是一个强耦合系统，只有消除id和iq的耦合项才能达到解耦的目的。

将式（6）代入式（5）中可使三相并网逆变器的电流内环（id、iq）实现解耦控制，这样就可以对有功功率和无功功率实现独立的调节。

3.2 DC/AC仿真模型

这里使用基于VSC的换流器将实验系统的电能并入交流电网，其控制器的控制方式如图16所示，逆变器的仿真模型如图17所示。

图16 VSC控制器Fig.16 VSC controller

图17 逆变器仿真模型Fig.17 Inverter simulation model

4 系统仿真

将光伏阵列模块、DC/DC及MPPT模块和DC/AC模块整合得光伏并网发电控制系统的仿真模型和交流侧电压、电流波形。光伏系统仿真图见图18。

图19，图20和图21分别为不同功率因数时的交流侧的电压电流的波形图。

图18 光伏系统仿真图Fig.18 Photovoltaic system simulation diagram

图19 单位功率因数时的A相电压电流波形Fig.19 A phase voltage and current waveform at unit power factor

图20 发出感性无功时的A相电压电流波形Fig.20 A phase voltage current waveform when generating perceptual reactive power

图19为单位功率因数时的电压电流波形图，可以看出VSC在单位功率因数运行时，交流侧的电压和电流是同相位的。由图20可以看出发出感性无功时的，电流是超前电压。由图21可以看出吸收感性无功时，电压是超前电流的。

图21 吸收感性无功时的电压电流波形Fig.21 A phase voltage current waveform when absorbing perceptual reactive power

从并网电压、电流波形上看，该仿真能较好的实现MPPT的追踪控制，并网电流与电网电压有较好的跟踪效果，较好地实现了并网电流的单位功率因数输出，电压和电流相位实现同频同相，但同时由于MPPT模块中对参数的设置不够准确，仍需进一步改进。

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