劉立立，林永君,劉衛(wèi)亮

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003)

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基于改進(jìn)MPPT的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

劉立立，林永君,劉衛(wèi)亮

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北保定071003)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)電源的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)是極其重要的。為了提高光伏電池的發(fā)電效率，提出了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率跟蹤，不僅能很快很準(zhǔn)地跟蹤最大功率，而且能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到保持。通過對(duì)逆變器的控制策略進(jìn)行研究，提出了一種雙閉環(huán)控制方式，能夠保持輸出電壓穩(wěn)定，滿足微網(wǎng)孤島運(yùn)行要求。通過仿真結(jié)果，可以看出該方法的有效性與可行性。

光伏發(fā)電；仿真；改進(jìn)最大功率跟蹤；雙閉環(huán)控制

0 引言

能源供求問題越來越嚴(yán)重，為了使地球環(huán)境得到改善，人們越來越重視新能源的開發(fā)和利用，尤其是可再生能源的利用[1]。分布式發(fā)電是利用可再生的新能源(如太陽能、風(fēng)能、潮汐能等)進(jìn)行發(fā)電，使各種可用的能源能夠得到充分地開發(fā)與利用，并且使能源的利用率得到明顯提高[2]。除此之外，還可以保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源。所以分布式發(fā)電的前景很好。

光伏發(fā)電是目前研究比較多的一種發(fā)電技術(shù)，研究其并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行都具有非常重要的價(jià)值，并且應(yīng)用前景十分廣闊，具有無污染、可再生、資源普遍性、通用性、可存儲(chǔ)性、分散性等顯著優(yōu)點(diǎn)[3-5]。

為了解決發(fā)電貧困區(qū)的用電問題，在西北偏遠(yuǎn)地區(qū)建立了小型光伏發(fā)電站，使太陽能得到了充分地開發(fā)與利用。將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，不僅可以解決部分無電人口的供電問題，還可以解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的通訊問題，提高了西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平，且改善了生態(tài)環(huán)境。所以研究光伏發(fā)電系統(tǒng)顯得尤為重要[6,7]。

本文首先分析了光伏電池的輸出特性曲線，然后搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，逆變器控制采用電流電壓雙閉環(huán)控制，并在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真。

1 光伏電池特性分析

光伏電池本身不具備發(fā)電能力，是通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。光伏效應(yīng)就是當(dāng)光伏電池受到外界光照時(shí)，其內(nèi)部的電荷發(fā)生運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電流和電動(dòng)勢的一種效應(yīng)。光伏電池的工作原理可以用單二極管等效電路來進(jìn)行描述[8]，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

根據(jù)基爾霍夫電流定律能得到太陽能光伏電池產(chǎn)生的電流I，即：

(1)

式中：I為光伏電池輸出的電流，A；Il為光伏電池產(chǎn)生的光生電流，A；Id為流過二極管的電流，A；Ish為流過分流電阻的電流，A。

其中流過二極管的電流為：

(2)

式中：I0為PN結(jié)的反向飽和電流，A；n為二極管理想因子，無量綱；k為玻爾茲曼常數(shù)，其值為1.380 650 5×10-23， J/K；T為光伏電池絕對(duì)溫度，K；Ui：加在二極管上的電壓，V。

由基爾霍夫電壓定律得到：

Ui=U+IRs

(3)

式中：U為電阻Rl兩端電壓，V。

流過分流電阻Rsh的電流Ish滿足：

(4)

由式(1)～(4)可得到描述光伏電池的伏安特性方程為：

(5)

工程應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型一般更為實(shí)用精確。在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件(日照強(qiáng)度S=1 000 W/m2，光伏電池溫度T=25 ℃)下，光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型為:

(6)

其中：

(7)

(8)

式中：ISC為短路電流；UOC為開路電壓；Im為最大功率點(diǎn)處的電流；Um為最大功率點(diǎn)處的電壓；Pm為最大輸出功率。在非標(biāo)準(zhǔn)條件下，ISC、UOC、Im、Um、Pm要做一定修正。

根據(jù)以上公式，通過Matlab/Simulink軟件，搭建光伏電池的仿真模型，如圖2所示[9]。

圖2 光伏電池仿真模型

光伏電池仿真模型中設(shè)置短路電流為2.52 A，短路電壓為22 V，開路電流為2.31 A，開路電壓為17.3 V，串聯(lián)電阻為0.5 Ω。在光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃時(shí)，對(duì)光伏電池模型進(jìn)行仿真，得到光伏電池在不同光照強(qiáng)度及不同溫度下的輸出特性曲線，仿真結(jié)果如圖3、4所示。

仿真結(jié)果表明該模型建立的正確性。當(dāng)光伏電池的溫度不變時(shí)，輸出的功率隨光照強(qiáng)度的增加而增加；當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，輸出的功率隨電池溫度的增高而減小。

2 改進(jìn)的擾動(dòng)觀察最大功率跟蹤方法

為了使光伏電池的工作效率得到提高，需要對(duì)其工作點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保始終在最大功率點(diǎn)附近工作。最大功率跟蹤方法有擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、模糊邏輯控制法等。其中擾動(dòng)觀察法是最常見的方法，其控制原理是：測量輸出電壓和功率，對(duì)輸出電壓進(jìn)行擾動(dòng)，繼續(xù)觀察輸出功率的變化，根據(jù)功率的變化趨勢進(jìn)一步擾動(dòng)[10]。

本文針對(duì)定步長擾動(dòng)觀察法的缺陷提出變步長擾動(dòng)觀察法。改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法依然是對(duì)占空比進(jìn)行擾動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。初始狀態(tài)，功率距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)，此時(shí)設(shè)置一個(gè)較大的步長，這樣能使系統(tǒng)更快地跟蹤到最大功率[11，12]。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，通過檢測得到采樣時(shí)刻t2與上一時(shí)刻t1的功率，通過計(jì)算得到兩者的功率差ΔP，將ΔP與0進(jìn)行比較：若ΔP大于0，說明t2時(shí)刻的功率比t1時(shí)刻的功率大，根據(jù)PU特性曲線，可以看出此時(shí)的功率在最大功率點(diǎn)左側(cè)，這時(shí)應(yīng)該繼續(xù)增大光伏電池電壓U，使功率繼續(xù)增加，所以就繼續(xù)按照原占空比進(jìn)行擾動(dòng)；若ΔP小于0，說明t2時(shí)刻的功率比t1時(shí)刻的功率小，根據(jù)PU特性曲線，可以看出此時(shí)的功率在最大功率點(diǎn)右側(cè)，應(yīng)該減小光伏電池電壓U，使功率回到最大功率點(diǎn)。如果還采用較大的步長，系統(tǒng)的輸出功率又回到最大功率點(diǎn)左側(cè)，這樣功率就會(huì)在最大功率點(diǎn)附近來回?cái)[動(dòng)，就不能跟蹤到輸出的最大功率。為了使該問題得到解決，首先設(shè)置一個(gè)較小的正值ε，當(dāng)ΔP小于ε時(shí)，就認(rèn)為達(dá)到了最大功率點(diǎn)，避免了頻繁工作。然后進(jìn)行擾動(dòng)，當(dāng)ΔP小于0時(shí)，可以減小步長至原來的1/2，這時(shí)功率值就會(huì)回到一個(gè)比較大的值，繼續(xù)進(jìn)行擾動(dòng)。每當(dāng)ΔP<0，并且步長未達(dá)到設(shè)定的最小值時(shí)，步長就減小一次，在理想情況下系統(tǒng)就會(huì)快速準(zhǔn)確地找到最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)MPPT，并且使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

根據(jù)改進(jìn)的最大功率跟蹤原理，改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法的流程圖如圖5所示。圖中Δ表示的是擾動(dòng)步長。

圖5 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程圖

根據(jù)流程圖，在Simulink中搭建的仿真模型如圖6所示。

圖6 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法仿真模型

3 光伏系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

3.1 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏系統(tǒng)主要有光伏電池模塊、最大功率跟蹤模塊、PWM模塊、逆變器模塊等。其電路框圖如圖7所示。

圖7 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)以上框圖，在Matlab/Simulink中搭建光伏系統(tǒng)仿真模型，如圖8所示。最大功率跟蹤算法采取改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，控制器采用雙閉環(huán)控制方式。PWM控制器的頻率，對(duì)開關(guān)損耗具有很大的影響。頻率過高，開關(guān)損耗會(huì)增大，降低其使用壽命；開關(guān)頻率過低，可控性強(qiáng)，但是造成的諧波較大。綜合考慮，本文選用開關(guān)管為IGBT，開關(guān)頻率設(shè)置為20 kHz。在光伏系統(tǒng)中，開路電壓、開路電流、短路電壓、短路電流以及串聯(lián)電阻等參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

參數(shù)數(shù)值開路電壓/V288開路電流/A13.88短路電壓/V354短路電流/A14.88串聯(lián)電阻/Ω0.5

3.2 最大功率跟蹤仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證改進(jìn)的最大功率跟蹤方法的效果，將其與傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法比較。當(dāng)最大功率跟蹤分別為變步長和固定步長，其跟蹤效果有明顯的差別。當(dāng)改變外界環(huán)境時(shí)，光伏電池輸出的功率也會(huì)隨之改變。圖9表示的是當(dāng)光照強(qiáng)度為1 000 W/m2、溫度為25℃(標(biāo)準(zhǔn)情況)的結(jié)果；圖10表示的是光照強(qiáng)度在0.1 s增加到1 200 W/m2、溫度為25℃的結(jié)果；圖11表示的是光照強(qiáng)度為1 000 W/m2、溫度在0.1 s增加到55℃的結(jié)果。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)情況下的仿真結(jié)果

圖10 光照強(qiáng)度增大的仿真結(jié)果

圖11 溫度增加的仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出，當(dāng)MPPT使用固定步長的擾動(dòng)時(shí)，有很大缺點(diǎn)，步長的設(shè)置將是一個(gè)難點(diǎn)。如果步長設(shè)置太大，雖然跟蹤速度比較快，但是輸出功率會(huì)在最大功率點(diǎn)附近來回變波動(dòng)，其穩(wěn)定性較差，對(duì)系統(tǒng)性能有一定影響；如果步長設(shè)置過小，雖然穩(wěn)定性好，但其跟蹤速度又會(huì)變慢。而變步長擾動(dòng)觀察法能克服定步長的缺點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤最大功率，提高光伏電池的發(fā)電效率。

3.3 逆變器控制策略分析與仿真結(jié)果

逆變器控制方式采用雙閉環(huán)控制，控制電路框圖如圖12所示。相對(duì)于電壓單閉環(huán)控制，雙閉環(huán)控制具有更好的性能。電流內(nèi)環(huán)是為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，電壓外環(huán)是為了實(shí)現(xiàn)電壓的無靜差控制。仿真參數(shù)設(shè)置如下：負(fù)載采用50 Ω阻性負(fù)載；電流內(nèi)環(huán)采用P控制，選擇Kp為0.3；電壓外環(huán)，采用PI控制，參數(shù)設(shè)置：Ki=0.3，Kp=0.1。負(fù)載兩端的電壓電流波形如圖13、14所示。

圖12 雙閉環(huán)控制框圖

圖13 負(fù)載電壓

圖14 負(fù)載電流

從仿真結(jié)果可以看出，開始時(shí)系統(tǒng)還未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，逆變器輸出電壓有一個(gè)小的波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定在給定值。當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏電源的輸出功率會(huì)隨之發(fā)生變化，但由于電容的儲(chǔ)能，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載需要輸出相應(yīng)的電壓。逆變器雙閉環(huán)控制具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的穩(wěn)定性。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電壓諧波含量是分析的重點(diǎn)，此系統(tǒng)中，負(fù)載電壓諧波含量(THD)值如圖15所示。

圖15 負(fù)載電壓THD

從仿真結(jié)果可以看出，負(fù)載電壓THD值為0.21%，符合微網(wǎng)孤島運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

分析了光伏電池的等效電路，并利用 Matlab/Simulink 軟件，搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)其輸出特性進(jìn)行分析。利用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法跟蹤光伏電池輸出的最大功率，通過仿真結(jié)果可以看出在不同階段采用不同的步長，可以使系統(tǒng)更快更準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池輸出的最大功率，克服了傳統(tǒng)MPPT的缺點(diǎn)，并且使系統(tǒng)輸出功率更加穩(wěn)定。

逆變器控制采用雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，電壓外環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的無靜差控制。仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)控制具有較好的控制效果，系統(tǒng)輸出滿足孤島微網(wǎng)運(yùn)行要求。

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Simulation Research of Photovoltaic Power Generation System Based on Improved MPPT

LIU Lili，LIN Yongjun，LIU Weiliang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

In photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking (MPPT) is very important for power supply.In order to improve the power generation efficiency of the photovoltaic cells, an improved disturbance observer method is proposed for maximum power tracking, This method can not only quickly tracking the maximum power with good accuracy, but aslo maintain the stability of the system.Based on the control strategy of inverter, a double closed loop control method is proposed, which can keep the output voltage stable and meet the requirements of micro grid operation.The validity and feasibility of the method is verified by the simulation results.

PV；simulation；improved MPPT；double closed-loop control

2016-06-12。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2015ZD17)。

劉立立(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)逆變器仿真,E-mail:917519625@qq.com。

TM91

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.005