曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

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光柴互補系統(tǒng)建模與改進MPPT控制策略

曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

(上海海事大學，上海201306)

介紹了光伏電池原理，在MATLAB/Simulink中建立了光柴互補發(fā)電系統(tǒng)。采用Matlab的S函數(shù)編寫了光伏電池MPPT控制器控制方法，并在當負載吸收功率小于光伏電池輸出功率時，對控制器進行了改進，以防止功率流入柴油發(fā)電機。仿真得到負載工況變化下系統(tǒng)的功率、電壓曲線，驗證了改進的MPPT控制器的可行性。

光柴互補系統(tǒng) 建模 改進MPPT控制 S函數(shù)

0 引言

微電網(wǎng)是指將需求區(qū)域內(nèi)分布的小型發(fā)電單元（分布式電源）、儲能裝置以及需求區(qū)域內(nèi)負荷組織起來而形成的發(fā)電、變電、輸電、配電系統(tǒng)，目前研究內(nèi)容包括：微網(wǎng)系統(tǒng)的仿真建模與應(yīng)用；微網(wǎng)系統(tǒng)分布式電源最大功率輸出與并網(wǎng)的實現(xiàn)；系統(tǒng)經(jīng)濟分析和優(yōu)化調(diào)控設(shè)計等。光伏發(fā)電有離網(wǎng)獨立供電和并網(wǎng)供電兩種工作方式[1]。

本文在Simulink中建立光伏電池的數(shù)學模型、柴油發(fā)電機模型、功率控制系統(tǒng)，以及分工況負載系統(tǒng)。設(shè)計了最大功率控制器，同時，根據(jù)負載的不同情況對MPPT控制器進行了改進。通過系統(tǒng)仿真圖分析，驗證了改進MPPT控制器符合預期。

1 光伏發(fā)電

1.1發(fā)電原理

目前，光伏電池大多由半導體元素硅元素組成，摻雜一些其他的原子。光伏電池大多由薄的硅晶圓組成，分為上層N-層與底層P-層。上層比較薄，摻雜了磷原子，而下層厚一些，摻雜了硼原子，作為襯底，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

硅原子的價電子層具有四個電子，硅原子之間有共價鍵，形成硅晶體，無自由移動的電子。摻雜的磷原子最外層有五個電子。這樣，在N-層中則出現(xiàn)了多余的電子。當太陽光照射到N-層表面，光子撞擊的能量大于原本的共價鍵之間的作用力時，共價鍵被破壞，此時，多余的電子發(fā)生移動。另一方面，由于在P-層摻雜了硼原子，硼原子的價電子層有三個電子，這樣在P-層晶體中產(chǎn)生了“空穴”。這些“空穴”實質(zhì)上是由于共價鍵配對過程中，缺失的電子形成的。此時，當從N-層移動的電子運動到P層時，正好填充了配對缺失電子而形成的“空穴”，看起來相當于“空穴”在移動。

圖1 光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖

電子不斷地移動與“空穴”相配對，從而在P-層與N-層相交處形成了PN結(jié)。由于“空穴”的不斷移動，聚集在PN結(jié)與N-層相交處，從而在PN結(jié)中產(chǎn)生電場，稱為內(nèi)建電場。該電場不僅使得N-層電子移動到PN結(jié)附近，同時也阻止P-層電子的反向移動，即從P-層運動到N層。當外接電路負載時，N-層內(nèi)部移動至PN結(jié)的電子，由P-層移動的電子所補充。亦可以理解為P-層向PN結(jié)運動的“空穴”被流入來自光伏電池背面的電子所填充。從而在外部電路形成電流，持續(xù)的對外部負載做功。

1.2光伏電池的數(shù)學模型

光伏電池的發(fā)電原理是十分復雜的，圖2給出了該復雜原理的等效電路。

圖2 光伏電池等效電路

圖2中，I為光生電流，大小取決于光照強度、材料等；I為二極管電流；R，I分別為對地漏電阻，旁路漏電流，理想情況下為無窮大；R為光伏電池等效內(nèi)阻，理想情況下為0；一般情況下，與PN結(jié)深度、雜質(zhì)等有關(guān)；V分別為輸出端電流、開路電壓。

2 MPPT控制以及改進方法

2.1 MPPT控制方法簡介

光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著光照強度和環(huán)境溫度的變化具有非線性特性，因此在特定的環(huán)境下存在著唯一的最大功率點（MPP）[2]。為了最大效率的轉(zhuǎn)化太陽能，最大功率點跟蹤就成為光伏發(fā)電系統(tǒng)必不可少的一個環(huán)節(jié)[3]。最大功率點作為功率輸出的最優(yōu)點，需設(shè)計最大功率跟蹤控制器來逼近甚至穩(wěn)定在該點。MPPT控制方法主要有擾動觀察法（P&O法）和電導增量法（INC法）[4]。

圖4 光伏電池V-P曲線(,)

本文采用電導增量法設(shè)計最大功率控制器[5]。在P-V曲線上，最大功率點左側(cè)，Δ/Δ為正值，最大功率點Δ/Δ為零，最大功率點右側(cè)，Δ/Δ為負值。所以，只要當Δ/Δ為正值，則增大電壓Δ；而當Δ/Δ為負值，則減小電壓Δ。對于一直保持零值，則是不太可能的，針對這樣一種情況，在零附近設(shè)置可行性區(qū)間[, 0],[0,]，的值在此區(qū)間內(nèi)則認為此時已經(jīng)運行在最大功率點。

圖5 改進MPPT控制流程圖

2.2 MPPT控制器改進

MPPT控制器始終追蹤最大功率，會出現(xiàn)輸出功率大于負載功率的情況。此時，由于本系統(tǒng)沒有儲能系統(tǒng)，功率會流入柴油發(fā)電機，造成事故。所以，此時必須對光伏電池的輸出功率進行控制。那么，原來追蹤最大輸出功率的MPPT控制器必須按需改進。本文基于實際情況中，負載端負載變化快的因素，通過采集柴油發(fā)電機端的功率流向進行控制器設(shè)計。當功率流入柴油機時，即時的限制光伏電池的功率，從而達到保護系統(tǒng)，同時符合負載的功率要求。其控制流程如圖5，其中Ps為柴油發(fā)電機的發(fā)出功率。

在控制器設(shè)計中引入了柴油發(fā)電機功率的測量及功率方向，是改進控制器設(shè)計的核心部分。

3 Simulink系統(tǒng)搭建與仿真

3.1系統(tǒng)Simulink搭建

本文仿真模型采用SPR-305E-WHT-D模塊，由5個電池模塊串聯(lián)形成電池組件，66個電池組件并聯(lián)形成電池陣列，此時，輸出功率最大為 100.7 kW?；贛ATLAB/Simulink建立了SE-DS系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。其中，光伏曲線與溫度曲線是利用Signal Builder 模塊建立的光伏與溫度數(shù)據(jù)輸入曲線；PV Array是光伏電池模塊組，是根據(jù)光伏電池數(shù)學模型等效電路建立的；MPPT控制器是利用S函數(shù)模塊建立的，根據(jù)改進MPPT控制方法建立最大功率控制器。Boost變換器是boost升壓變換電路，其輸出電壓高于輸入電壓的直流變換器。三相橋是三相橋式電路的簡稱，是將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電供負載使用的裝置。

圖6 SE-DS系統(tǒng)Simulink模型

VSC控制器模塊控制三相橋式電路，將boost變換器輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需交流電壓，并保持單位功率因數(shù)。系統(tǒng)由兩個控制回路組成，一個回路將直流電壓調(diào)節(jié)為所需電壓的直流控制回路，回路輸出I參考電流；另一個是調(diào)節(jié)I（直流控制回路產(chǎn)生的參考電流）和I的控制回路。I電流基準設(shè)為零，以保持單位功率因數(shù)[4]。根據(jù)參考電壓電流，產(chǎn)生控制三相橋式電路的脈沖，滿足負荷的需求。柴油發(fā)電機系統(tǒng)作為另一電源系統(tǒng)，原動機帶動同步發(fā)電機產(chǎn)生具有額定電壓與頻率的三相電源。

3.2系統(tǒng)仿真

1）負載功率大于光伏電池功率的工況

光伏電池功率為100 kW，柴油發(fā)電機的功率為200 kW，負載在2 s時負載由150 kW增加到250 kW?？梢?，負載功率大于光伏電池的最大功率。仿真結(jié)果如圖7。

由功率曲線可知，光伏電池發(fā)出的功率隨著光照強度以及溫度，輸出功率不斷增加，但是由于負載功率大于光伏電池發(fā)出的功率，柴油發(fā)電機介入，使得發(fā)出的功率滿足負載的功率。在2 s時由于負載突變系統(tǒng)發(fā)生波動，柴油機發(fā)出的功率進一步增加，以滿足負載的需求。而對于電壓，在2 s時由于負載增加，系統(tǒng)發(fā)生波動，但是，很快達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時，改進的MPPT控制器并未發(fā)生作用。

2）負載功率小于光伏電池功率的工況

為了研究這種情況，將負載的功率調(diào)節(jié)至90 kW，小于光伏電池提供的最大功率。再進行仿真。仿真結(jié)果如圖8。

此時，光伏電池在1.3 s時，對比輸出功率（1）中工況可知，此時，光伏電池功率并未超過負載功率90 kW，而是在90 kW處波動，這歸功于MPPT控制器的調(diào)節(jié)。由于在MPPT控制器的設(shè)計中，對柴油發(fā)電機的功率進行了檢測，當柴油發(fā)電機功率小于等于零時，改進的MPPT控制器及時的限制光伏電池的輸出功率。此時的柴油機發(fā)出的功率為零，達到了節(jié)能的效果。

4 總結(jié)

本文在光伏電池的數(shù)學模型分析的基礎(chǔ)上，建立了光柴互補發(fā)電系統(tǒng)。針對負載功率小于光伏電池發(fā)出的功率，會出現(xiàn)功率流入柴油機從而造成事故的，改進了利用電導增量法設(shè)計的MPPT控制器。通過Simulink仿真，說明了在負載大于和小于光伏電池最大功率的工況下，改進的MPPT控制器是可行的。

[1] 郭琦, 趙子玉. 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 電氣技術(shù), 2012, (3): 20-24

[2] Mei Q, Shan M, Liu L, etal. A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(6): 2427-2434.

[3] Masoum M A S, Dehbonei H, Fuchs E F．Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltageand current-based maximum power-point tracking[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2002, 17(4): 514-522.

[4] 梁慧慧. 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2014.

[5] 楊永恒, 周克亮. 光伏電池建模及MPPT控制策略[M]. 電工技術(shù)學報, 2011.

Modeling of Solar-diesel Hybrid System and Control Strategy of Improved MPPT

Cao Yi, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Hou Shuqi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM914

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1003-4862（2017）08-0069-04

2017-04-14

曹益（1989-），男，在讀碩士研究生。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 305453129@qq.com