一種基于MATLAB 的組串式光伏逆變器模型＊

魏錢圓，王楊松，孟媛媛

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 引言

隨著城市化和工業(yè)化的進(jìn)程加快，當(dāng)前社會能源短缺和環(huán)境污染等問題日益加劇。近年來，人們的目光逐漸轉(zhuǎn)向可再生能源，太陽能作為一種新興的可再生能源，得到廣泛的開發(fā)，光伏發(fā)電在國內(nèi)外均得到了迅猛的發(fā)展[1-2]。

組串式光伏并網(wǎng)逆變器以其容量小、模塊化設(shè)計(jì)方案、便于安裝維護(hù)和可以使每個光伏組串工作在最大功率點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)等到廣泛應(yīng)用，而且隨著組串式光伏逆變器各元件成本的降低，未來對于組串式光伏電站的應(yīng)用將會越來越多，因此組串式光伏逆變器的研究對進(jìn)一步推廣光伏發(fā)電技術(shù)具有極其重要的意義[3-4]。

本文基于Matlab/Simulink 仿真環(huán)境，建立了一種1.2 kW組串式光伏逆變器模型，并對其前級結(jié)構(gòu)的控制策略進(jìn)行仿真，主要包括光伏電池模型分析和光伏陣列的最大功率點(diǎn)追蹤，采用擾動觀察法來控制并實(shí)現(xiàn)光伏列陣輸出的最大功率點(diǎn)跟蹤，通過改變環(huán)境變量，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ぷ鳡顟B(tài)。

2 光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制

2.1 組串式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，組串型結(jié)構(gòu)是指光伏組件通過串聯(lián)構(gòu)成光伏陣列給光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供電能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通常情況下，一塊光伏板的額定功率一般為250～350 W，本文將四塊功率為315 W 的光伏組件組串成一個光伏陣列。

2.2 光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏逆變器通過將光伏組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，經(jīng)過濾波之后將電能輸送到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。因此，整個并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)行對光伏逆變器的性能有著很高的要求[5]。根據(jù)并網(wǎng)逆變器是否帶有隔離變壓器，可以將其分為隔離型和非隔離型兩種結(jié)構(gòu)[4]。

圖1 組串型結(jié)構(gòu)

本文選用兩級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)存在前級DC/DC 和后級DC/AC 兩級能量變換。與單級式結(jié)構(gòu)相比，兩級式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)更為簡單，且前級控制與后級并網(wǎng)控制相互獨(dú)立，相互間影響小。通過前級DC/DC 變換控制光伏陣列的輸出電壓，通過后級DC/AC 變換控制并網(wǎng)電流的頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

同時本文前級DC/DC 電路采用Boost 電路，Boost 電路具有輸入電流連續(xù)、驅(qū)動簡單和轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時其簡單的結(jié)構(gòu)也便于整體設(shè)計(jì)。由于本文的組串式光伏逆變器為1.2 kW，功率較小，因此選取簡單的L 形電路作為后級DC/AC 輸出濾波電路。

2.3 并網(wǎng)逆變器的控制策略

根據(jù)本文選用的兩級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，可以通過前級MPPT 控制器和后級的并網(wǎng)電流控制器共同實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)控制，如圖2 所示。光伏電池的最大功率跟蹤控制由前級DC/DC 變換電路完成，通過光伏組串輸出的直流電壓和電流，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。后級通過并網(wǎng)電流控制器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制。前級與后級電路之間通過解耦電容，可以進(jìn)行單獨(dú)控制，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

圖2 組串式光伏逆變器控制原理框圖

3 光伏陣列模型與輸出特性分析

由于光伏陣列的工作狀態(tài)會受外部環(huán)境的多種因素的影響，且諸多參數(shù)影響了光伏組件的輸出特性，因此不易實(shí)現(xiàn)其數(shù)學(xué)建模。所以本文中采用光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下的以下參數(shù)：UOC（開路電壓）、ISC（短路電流）、Um（最大功率點(diǎn)電壓）、Im（最大功率點(diǎn)電流），簡化構(gòu)造出近似的工程數(shù)學(xué)模型[6]：

光伏電池在實(shí)際工作條件與標(biāo)準(zhǔn)工作條件下的光照強(qiáng)度差ΔS與溫度差ΔT分別為：

在實(shí)際工作條件下的UOC、ISC、Um、Im的大小為：

式（1）～（5）中：Tref為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，1 000 W/m2；Sref為標(biāo)準(zhǔn)溫度，25 ℃；a、c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，a=0.002 5/℃，c=0.002 8/℃；b為光照補(bǔ)償系數(shù)，0.5[7]。

根據(jù)前文對光伏陣列的分析，在Matlab/Simulink 中搭建相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下，選取UOC=320 V，ISC=5.2 A，Um=254.84 V，Im=4.95 A，于是本光伏陣列的額定輸出功率約為1 261.46 W。利用上述仿真模型仿真可知，當(dāng)光照強(qiáng)度不變時，隨著溫度的升高，光伏陣列的開路電壓和輸出功率相應(yīng)降低，但變化不明顯。當(dāng)溫度不變時，隨著光照強(qiáng)度的增加，光伏陣列電流和輸出功率相應(yīng)地增大，且變化明顯。

綜合以上分析可知，在知曉光伏組件的4 個標(biāo)準(zhǔn)性能參數(shù)情況下，本文所建的光伏陣列模型很好地反映光伏陣列的輸出特性，可以模擬出任意實(shí)際條件下光伏陣列的輸出特性，因此該模型可以用于光伏發(fā)電系統(tǒng)分析。

4 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的控制方法

通過上文分析可知，光伏陣列具有明顯的非線性特征，其輸出電壓和電流受環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的影響。在一定光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列輸出的電壓和電流變化時，輸出功率P也隨之變化，在正常條件下其輸出總有唯一的最大功率點(diǎn)（MPP），為了提高能源利用效率，就要控制光伏陣列，使其始終保持在最大功率輸出狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)這一控制過程的技術(shù)就叫做最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

目前MPPT 控制的實(shí)現(xiàn)方法主要有恒定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法和擾動觀察法等，每種方法均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[8-9]。擾動觀察法（P&Q）的原理如下。

擾動觀察法原理為給光伏陣列的輸出電壓實(shí)際值U增加一個擾動量ΔU，計(jì)算電壓U和U+ΔU下的功率值P1、P2進(jìn)行比較，得到一個功率差值ΔP=P2－P1。若ΔP＜0，則說明P1在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，可施加一個反方向的擾動（-ΔU），讓功率點(diǎn)左移靠近最大功率點(diǎn)；若ΔP＞0，則說明P1在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，可以繼續(xù)增加擾動，讓功率點(diǎn)右移靠近最大功率點(diǎn)[10-11]。

傳統(tǒng)的擾動觀察法是通過不斷地外加擾動電壓來尋找最大功率點(diǎn)。本文采用的改進(jìn)后的擾動觀察法，通過直接改變光伏陣列的輸出電壓來尋找最大功率點(diǎn)。若擾動后的輸出功率小于原輸出功率，說明當(dāng)前擾動方向錯誤，應(yīng)往反方向進(jìn)行擾動；若擾動后的輸出功率大于原輸出功率，說明此刻的擾動方向是正確的，應(yīng)繼續(xù)向該方向擾動[12]。

依據(jù)上述，用Matlab/Siumlink 建立擾動觀察法仿真模塊，如圖3 所示。同時本文采用的是兩級式光伏逆變器結(jié)構(gòu)，在Matlab/Simulink 平臺上搭建的基于前級DC/DC 電路的MPPT 算法仿真模型如圖4 所示。

圖3 擾動觀測法仿真模塊

圖4 最大功率追蹤仿真模型

光伏陣列參數(shù)如上述，其余參數(shù)設(shè)置如下：R為負(fù)載電阻（200 Ω），C1為穩(wěn)壓電容（1 000 μF），C2為濾波電容（300 μF），L為儲能電感（2 mH）。

模型中仿真時間設(shè)定為1 s，模擬工作環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，對定改進(jìn)的擾動觀察法在光伏陣列在跟蹤最大功率點(diǎn)時的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

最大功率點(diǎn)追蹤仿真結(jié)果如圖5 所示。從圖5 上圖中可以看出，穩(wěn)定后輸出功率幾乎沒有波動，輸出功率大約為1 200 W，前文計(jì)算光伏陣列的額定輸出功率約為1 261 W，其輸出功率與光伏陣列的額定輸出功率較為接近，說明該算法跟蹤效果較好、精度高。為了驗(yàn)證此模型在光照強(qiáng)度變化情況下的追蹤效果，設(shè)置仿真時間為6 s，初始光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，第 2 秒突變?yōu)?600 W/m2，第 4 秒突變?yōu)? 200 W/m2。同時考慮到溫度對光伏陣列輸出效果也有細(xì)微影響，結(jié)合實(shí)際情況加入溫度影響因素，初始溫度為25 ℃，第2 秒時突變?yōu)?5 ℃，第4 秒時突變?yōu)?5 ℃。仿真結(jié)果表明，該模型能較快地完成追蹤，且追蹤效果穩(wěn)定，而且在光照強(qiáng)度突增的條件下，追蹤完成時間更快。同時正常情況下，溫度造成的影響可以忽略不計(jì)。

圖5 最大功率點(diǎn)追蹤仿真結(jié)果

綜上可知，本文采取的模型對最大功率點(diǎn)追蹤時穩(wěn)定性好、精度高，有著不錯的效果。

5 光伏逆變器的仿真模型

圖6 是在Matlab/Simulink 平臺上搭建的后級電路選取L形電路作為后級DC/AC 輸出濾波電路的光伏逆變器仿真模型，采用雙極性SPWM 調(diào)波方法，通過仿真結(jié)果的輸出，來說明前級電路設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 為后級電路輸出的A 相電壓與電流波形。根據(jù)圖7中后級電路輸出A 相電壓與電流波形，說明前級電路后級輸出逆變并網(wǎng)提供較穩(wěn)定的工作狀態(tài)，前級電路的設(shè)計(jì)和控制策略合理。

圖6 光伏逆變器仿真模型

圖7 A 相電路輸出的正弦波形

6 小結(jié)

文中首先介紹了組串式光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。利用光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)下的四個參數(shù)，建立了光伏陣列的仿真模型。通過改變光照強(qiáng)度和溫度進(jìn)行仿真，得到了環(huán)境變量對光伏陣列輸出特性的影響，驗(yàn)證了該工程模型的有效性。

基于Boost 電路，采用改進(jìn)的擾動觀察法來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。在Matlab/Siumlink 平臺上，搭建了帶有最大功率點(diǎn)跟蹤功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。

仿真結(jié)果表明，該模型在實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤時，過程平穩(wěn)波動小、速度較快、精度高。最后通過完整的光伏逆變器仿真，證明前級電路設(shè)計(jì)的合理性。

在光照強(qiáng)度突變的瞬間，重新追蹤到最大功率點(diǎn)所需時間較長，如何縮短反應(yīng)時間有待于進(jìn)一步研究。