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摘要：近年來光伏發(fā)電發(fā)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(fā)電及并網技術還不完善，光伏發(fā)電存在利用效率低、并網后對電網穩(wěn)定運行影響較大。針對此現(xiàn)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)的工作特性進行了分析。

關鍵詞：分布式發(fā)電；并網系統(tǒng)；電導增量法；逆變器

0引言

隨著人類社會文明的不斷發(fā)展與進步，隨之而來的是巨大的能源需求和消耗，大力開發(fā)利用可再生潔凈能源，是解決能源問題實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展唯一出路。太陽能光伏發(fā)電[3]具有清潔無污染、源源不斷等優(yōu)點，未來太陽能發(fā)電將會在供電系統(tǒng)中占有相當重要地位。目前太陽能光伏發(fā)電主要問題是光伏電池輸出功率的不穩(wěn)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(fā)電并網系統(tǒng)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(fā)電并網仿真模型，該模型考慮了環(huán)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(fā)電并網模型不能反映環(huán)境變化導致運行狀態(tài)的瞬態(tài)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(fā)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(huán)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(lián)電阻Rsh和串聯(lián)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(huán)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(fā)電并網系統(tǒng)中，一般采用DC/DC控制環(huán)節(jié)完成最大功率控制的任務，通過調節(jié)DC/DC變換器的控制脈沖占空比，改變DC/DC環(huán)節(jié)的輸出電壓，相當于調節(jié)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(huán)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(tài)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(fā)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(huán)控制方式。目的是為了控制逆變器輸輸出端電壓穩(wěn)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(jié)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(huán)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(wěn)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(huán)境變化時，它的輸出電壓能保持平穩(wěn)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?yōu)榻涣麟妷翰⑷腚娋W。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(wěn)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(huán)境變化時，輸出電壓也圖12逆變并網電壓能維持穩(wěn)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(tǒng)。在前級BOOST電路中運用了MPPT算法，通過調節(jié)觸發(fā)信號的占空比，調節(jié)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(fā)信號。實現(xiàn)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(huán)境變化時，此系統(tǒng)有良好同步電網的性能，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，有很好的實用性。

參考文獻:

[1]朱鵬程,郭衛(wèi)農,陳堅.升壓斬波電路PI和PID調節(jié)器的優(yōu)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(yè)現(xiàn)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(yè)大學電氣與信息工程學院