光伏發電并網系統仿真研究范文

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摘要：近年來光伏發電發展快速，分布范圍廣泛，可有效地緩和能源短缺的問題。但光伏發電及并網技術還不完善，光伏發電存在利用效率低、并網后對電網穩定運行影響較大。針對此現象，本文基于MATLAB軟件平臺建立了兩級式太陽能光伏并網系統的仿真模型，前級升壓斬波電路[1]運用電導增量法[2]（BOOST）對電池最大功率點進行跟蹤；并對后級并網逆變器的控制策略進行了研究，同時仿真了在光伏電池輸出電壓發生變化的情況下，后級逆變器的響應特性，最后對單相兩級式光伏并網系統的工作特性進行了分析。

關鍵詞：分布式發電；并網系統；電導增量法；逆變器

0引言

隨著人類社會文明的不斷發展與進步，隨之而來的是巨大的能源需求和消耗，大力開發利用可再生潔凈能源，是解決能源問題實現可持續發展唯一出路。太陽能光伏發電[3]具有清潔無污染、源源不斷等優點，未來太陽能發電將會在供電系統中占有相當重要地位。目前太陽能光伏發電主要問題是光伏電池輸出功率的不穩定，比如光照強度和溫度的變化會導致電池的輸出電流與電壓的變化，從而引起功率的變化。為了讓光伏電池的運行效率達到最大值，需要利用MPPT算法跟蹤最大功率點[4]，使光伏電池始終能夠輸出最大功率。針對目前光伏發電并網系統仿真模型參數較多、數據計算復雜等問題，本文提出一種基于Matlab/Simulink帶有MPPT算法的光伏發電并網仿真模型，該模型考慮了環境溫度、光照強度、光伏陣列串并連數、光伏模塊參數對I-V特性、逆變并網對電網的影響。使光伏電池始終工作在最大功率點，彌補了以前光伏發電并網模型不能反映環境變化導致運行狀態的瞬態變化以及這種變化對電網的影響，提高了光伏電池的運行效率。

1光伏電池仿真模型的建立

光伏電池是利用光伏效應將光能轉化為電能。太陽光照在半導體PN結上，光生電場會使空穴和自由電子發生偏移，分別聚集在半導體的兩端，由于空穴帶正電，自由電子帶負電，兩極間產生電勢差，接通電路加入負載后可形成電流，太陽能因此被轉化為電能，有效的利用起來[5]。同時光伏電池的工作效率極易受到環境的干擾，由此建立光伏電池數學模型進行深入研究，來解決光伏電池效率不高的問題。在不同光照強度下光伏電池的伏安特性如圖1所示，從圖中可看出光伏電池的短路電流、開路電壓大小均受光照強度影響，開路電流與輻照度近似呈正比關系。光伏電池等效電路由光生電流源及一系列電阻（內部并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs）組成。

2基于BOOST電路的MPPT算法模型的建立

由于光伏電池輸出功率主要取決于入射光線的強度與環境溫度，而實際情況下光照強度和溫度是瞬時變化的，為了提高光伏電池的工作效率，需要對其最大功率點進行追蹤。光伏電池在不同光照強度下的功率－電壓特性曲線如圖4所示，可看出光伏電池在某一工作點處輸出最大功率，最大功率值隨輻照度增強而增大。光伏電池在不同溫度下的功率－電壓特性曲線如圖5所示，從圖中可以看出最大功率點隨溫度的降低而增大。在雙級式光伏發電并網系統中，一般采用DC/DC控制環節完成最大功率控制的任務，通過調節DC/DC變換器的控制脈沖占空比，改變DC/DC環節的輸出電壓，相當于調節光伏組件輸出側的等效負載的大小，使負載側等效阻抗與光伏電池組件在該環境條件下工作于最大功率點時對應的阻抗大小相同，達到讓電池組件處于最大功率點工作狀態的目的。常用的最大功率點追蹤方法中，電導增量法具有良好的控制效果，可以以此作為MPPT算法的研究基礎，在此方法上加以改進。雙級式光伏并網結構圖如圖6所示。從圖中可以看出將光伏電池發出的電能通過BOOST電路升壓，再逆變并入電網。

3逆變并網控制方法

目前并網逆變器的控制器是研究的重點，特別是在大量分布式能源并網的情況下，對控制器的要求更高，減少分布式能源的接入給電網帶來的影響。本文中的并網逆變器采用閉環控制方式。目的是為了控制逆變器輸輸出端電壓穩定且使并網逆變器的輸出電流與電網電壓同頻、同相，輸送到電網的功率因數近似為1。并網逆變器內部結構框圖如圖8所示。以電網電壓作為控制量，采用PI調節器控制PWM控制信號，控制逆變器輸出電壓值，使其與電網電壓同步。

4仿真結果分析

通過使用MATLAB仿真軟件建立仿真模型，太陽能電池仿真模型如圖9所示。設置環境溫度為25℃，光照強度設置為從1000W/m2變化至600W/m2，仿真時間設置為0.5S。光伏電池輸出電壓如圖10所示，可以看到，當光照強度下降時，輸出電壓也會下降，而且變化時由于電池結構復雜，它的輸出電壓不能平穩變化，電壓幅值變化較大，如果直接并網，將會嚴重破壞電網電能質量。在使用MPPT算法之后，使電池始終工作在最大功率點，輸出電壓如圖11所示。在外界環境變化時，它的輸出電壓能保持平穩變化，不會產生電壓幅值變化過大的情況，既保證了電池工作效率，也提升了電能質量。將光伏電池的輸出電壓通過DC/DC升壓電路升壓至電網電壓220V，再經過逆變電路逆變為交流電壓并入電網。輸出電壓如圖12所示。從圖中可以看出升壓后通過大電容穩壓，電壓基本維持在直流220V，波動較小。經過PWM逆變電路后，每個周期為0.02s，交流電壓幅值是220V，逆變器產生的諧波含量少，對電網的影響較少，相位、峰值基本和電網電壓保持一致。當外界環境變化時，輸出電壓也圖12逆變并網電壓能維持穩定。

5結論

本文建立了光伏電池的仿真模型，運用單相兩級式并網技術搭建了并網仿真系統。在前級BOOST電路中運用了MPPT算法，通過調節觸發信號的占空比，調節負載側的等效負載，追蹤光伏列陣的最大功率點。逆變器采用的是全橋逆變電路，采用PWM脈沖作為控制器的觸發信號。實現了逆變器對電網電壓同步追蹤，滿足并網要求。特別是在應對環境變化時，此系統有良好同步電網的性能，保證輸出電壓的穩定性，有很好的實用性。

參考文獻:

[1]朱鵬程,郭衛農,陳堅.升壓斬波電路PI和PID調節器的優化設計[J].電力電子技術,2001,35(4):28-31.

[2]張潤坤.含分布式光伏電源的配電網繼電保護研究[D].南京理工大學,2017.

[3]孔凡太,戴松元.我國太陽能光伏產業現狀及未來展望[J].中國工程科學,2016,18(4):51-54.

[4]汪石農,陳其工,高文根.基于直線近似和擾動觀察的MPPT算法研究[J].電子測量與儀器學報,2016,30(6):945-950.

作者：劉繼傳；劉武斌；鄧佳康；陽鵬飛 單位：湖南工業大學電氣與信息工程學院