52基于MATLAB光伏并网逆变系统的仿真研究

通信电源技术

　2007年7月25日第24卷第4期

252007244

文章编号:100923664(2007)0420018203研制开发

基于MATLAB光伏并网逆变系统的仿真研究

姜子晴,陈照章,徐晓斌,黄永红

(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)

摘要:光伏并网发电系统是光伏发电系统发展的趋势。文中介绍了单极式光伏系统的拓扑结构和实现最大功率的工作原理,阐述了电导增量法实现MPPT的基本思想。根据光伏系统并网发电拓扑结构,设计了一套新型的实现最大功率跟踪的单极式光伏并网逆变器。逆变器控制部分由DSP实现最大功率跟踪和输出电流跟踪控制,实现了逆变输出电流与电网同步,且高功率因数运行。仿真结果表明,单极式光伏并网逆变系统能准确跟踪太阳能电池最大功率点,并具有较好的稳定性。

关键词:并网光伏系统;最大功率点跟踪;电导增量法;单极并网逆变器中图分类号:TM615

文献标识码:A

TheSimulationResearchonInverterGrid2Connected)JIANGZi2qing,Zhao,XUGYong2hong

212013,China)

:()systemisthetrendofphotovoltaicsystem’sdevelopment.Thispaperin2troducesthe’sprincipleofsingle2statePVsystem,aswellasthebasicprincipletorealizeMPPTbyconductanceincrementmethod.AccordingtothetopologyofthePVsystem,anovelsingle2statePVinverterisdesigned.TheinverterisofMPPTandexportcurrenttrackingandsynchronizationwiththeutilityandoperationathighpowerfactorbasedonDSP.Simulinkresultillustratessingle2stategrid2connectedPVsystemcanrealizeMPPTaccurately;italsoshowsthehighstabilityandhighefficiency.

Keywords:grid2connectedphotovoltaic(PV)system;maximumpowerpointtracking;conductanceincrementmeth2od;single2statePVinverter

近年来,随着电力电子及其控制技术的发展,电压

型PWM斩波控制技术越趋成熟,电压型光伏并网逆变器越来越多地被人们采用。合肥工业大学新能源研究所提出了一种电流寻优的光伏并网逆变器设计[1],提高了系统的动态响应时间,实现了正弦波电流跟踪控制。本文在其基础上采用了一种电流型跟踪控制方案,用DSP控制并实现了最大功率跟踪。

最大功率控制方法也有一个发展过程,早期的光伏系统采用恒定电压控制方法,这种方法的优点是简单易行,而且基本可以跟踪最大功率点。但随着电力电子及控制技术的发展,这种方法简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济。因此一些新的控制方法应运而生,如电压跟踪法、扰动观测法、电导增量法[2]、间歇扫描跟踪法等。笔者采用的是电导增量法。

1所示的伏安特性曲线。太阳电池既非恒压源,也非

恒流源,而是一种非线性直流电源。太阳能电池阵列

的伏安特性曲线与负载特性曲线L的交点A、B、C、D、E即为光伏系统的工作点。如果能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点A’、B’、C’、D’、E’上,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率

。

图1　太阳能电池阵列的伏安特性及工作点

1　最大功率控制方法

1.1　恒定电压控制(CTV)

在不同的光照强度下,硅太阳能电池阵列具有图

收稿日期:2006212227

作者简介:姜子晴,女,河南人,硕士研究生,研究方向为电力电子技术及光伏发电。

人们发现,当温度保持某一定值时,最大功率点基本在一根垂线的两侧,这样就可以把最大功率点的轨迹近似地看成输出电压恒定的一根垂线,这就是恒定电压控制[3]的理论依据。但是这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池阵列开路电压的影响,对结温影响最大的因素当推环境温度和太阳辐照度。以常规单晶硅太阳能电池而言,当环境温度每升高1eo时,其开路电压下降率约为0.35%～0.45%。以新疆的某一阵列为例,阵列在环境温度为25℃时开路电压为363.6V,

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通信电源技术　　　

姜子晴等:　基于MATLAB光伏

并网逆变系统的仿真研究TelecomPowerTechnologiesJuly25,2007,Vol.24No.4

当环境温度为60℃时下降至299V,其下降幅度为

17.5%。这是不容忽视的影响,而这一点采用恒定电

压跟踪是无法克服的。1.2　最大功率控制(MPPT)

MPPT的实质是一个自寻优过程[3,4]。当负载特

性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电压Um之左时,MPPT的作用是使交点处的电压升高;而当交点在阵列最大功率点相应电压Um之右时,MPPT的作用是使交点处的电压下降。

通过对定电压跟踪、功率回授、扰动观测及电导增量几种最大功率点跟踪方法的比较,发现电导增量法以其优良的跟踪性能而应用较为广泛。电导增量法是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪功能的。图2[5]示出太阳能电池阵列的曲线

。

图3　最大功率跟踪算法流程图

图2　太阳能电池阵列的曲线

2　单极光伏并网系统

2.1　单极式并网光伏能量变换环节

由此可得最大功率值Pmax处的斜率为零,因此有:

(1)P=UI

dP/dUb=I+UdI/dUb=0

dI/dUb=-I/U

(2)(3)

单极式并网光伏能量变换环节的结构如图4,假设滤波电感、滤波电容及逆变电路的损耗忽略不计,忽略滤波电感的等效串联电阻,则光伏阵列向本地负载和电网供电的能力为:

θP=P1s=P1+Ps=P1+UsmIsmcos

式中:

P———光伏阵列的输出功率P1———负载的消耗功率PS———向电网的输出功率Usm———电网电压幅值Ism———并网电流幅值

式(3)是要达到最大功率点的条件,即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时,太阳能电池阵列工作于最大功率点。电导增量法是多种最大功率跟踪方法中跟踪准确性最高的一种方法,可使系统在环境快速变化的情况下具有良好的跟踪性能。在辐照度和温度变化时,太阳能电池阵列的输出电压能平稳追随环境的变化,且输出电压摆动小。该控制算法流程图如图3所示。

图3中Un、In分别为新检测的电压和电流值,

Ub、Ib为前一采样周期光伏阵列的电压和电流值,D

(4)

θ———电网电压与并网电流间的相位差

设负载消耗的功率保持不变,由式(4)可知,并网电流可被调制成与电网电压Us同相的正弦波,因此系

统的功率因数近似为1。此外,由式(4)可见,通过调制Ism能够控制P,因此单级能量变换可实现最大的功率跟踪功能。

综上所述,单级能量变换结构的并网光伏逆变器,其控制目标为:控制逆变电路[7,8]输出的交流电流io为稳定、高品质的正弦波,且与Us同频、同相,同时希望通过调节io的幅值Io,使光伏阵列工作在最大功率点附近。这里选择了并网逆变器的io作为被控制量。2.2　电网同步信号检测

为定扰动值。首先检测光伏阵列的输出电压和电流,根据前一采样周期光伏阵列的电压和电流计算出变化量;然后判断电压的变化量是否为零。若为零,再判断电流的变化量是否为零;若都为零,则表示阻抗一致,无需调节给定电流的幅值。若电压变化量为零,电流变化量不为零,则表示环境有变化;若电流变化量大于零,减小给定电流的幅值,反之则增加。若电压变化量

不为零,则式(3)是否成立是关键。若式(3)成立,表示阵列已工作在最大功率点;若电导变化量大于负电导值,则减小给定电流的幅值,反之则增加。最后将本次光伏阵列的电压和电流值保存

。

实现同步并网的关键是要求输出的正弦交流电与

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仿真波形如图6所示。图6是输出电流在不同滤波电

感值下的波形图,由图可知,滤波电感值越大输出电流越接近正弦波

。

图4　单级光伏并网逆变器结构框图

图6　电感值在1mH,4mH,8mH的io仿真波形

电网电压同频同相。因此要检测电网电压,这里检

测电网电压的目的只是为对电流实现同步控制。检测电网电压的过零点作为控制电流的同步信号,程序中表现为DSP控制系统的同步中断源。2.3　控制流程控制流程如图5所示,经过MPPT控制得到参考电压和太阳能电池的实际电压相比较后,得到最大功率点,产生指令电流Iref。指令电流Iref乘,就得到交变的输出电流指令It),环节P,最后用于产生了四路。因为正弦表值是根据网压的同步信号产生的,因此可以使电流信号与网压同步。通过电压外环和电流内环的电流型SPWM控制,最终可以实现网侧电流正弦化且为单位功率因数输出

。

[6]

4　结论

由仿真结果可以看出,仿真的结果和理论分析是一致的,从而验证了电导增量法实现最大功率跟踪的,并且通过M。:

[1]　赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[M].合肥:合肥

图5　控制流程图

3　仿真

根据上述研究,依照图4的原理图用MATLAB

7.0软件进行仿真,额定输入功率400W,太阳电池开

工业大学出版社,2002.[2]　焦在强,许洪华.单极式并网光伏逆变器[J].可再生能

源,2004(5):34236.[3]　余世杰,何会若.光伏水泵系统中CVT与MPPT的控

制比较[J].太阳能学报,1998,19(4):3942398.

[4]　EugeneVSolodovnik,ShengyiLiu,RogeerADougal.

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[8]　Sidrach2de2CardonaM.Analysisofthecurrenttotalhar2

monicdistortionfordifferentsingle2phaseinvertersfor

grid2connectedpv2systems[J].SolarEnergyMaterials&SolarCells87,2005,5292540.

路电压170V左右,并网电压Uo为220V,频率50Hz,

行业信息

WRA_LS-3WDC/DC模块电源

金升阳WRA_LS-3W系列产品,专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的正负电源的应用场合而设计的。该系列为宽电压(2∶1)输入,1500VDC隔离稳压输出;具备可持续、自恢复短路保护功能、输出可关断;SIP阻燃封装,满足UL942V0要求,满足RoHS指令,适合对输出电压稳定度和输出纹波噪声要求较高的环境,在工控行业、通讯设备、汽车电子等领域都有广泛的应用。

(摘自)《中国电源网》

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bnbe.html