光伏系统并网运行仿真研究

顾振宇+付立思+吴硕

摘要：根据光伏发电的原理和数学模型，设计一个由光伏组成的直流微网。光伏发电部分能够实现变步长最大功率跟踪，结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性，为光伏发电技术的发展提供理论依据。

关键词：光伏系统；最大功率跟踪；仿真；直流微网；控制

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0052-03

近年来，人们逐渐开始利用洁净、可再生能源发电，如太阳能，风能等。光伏发电技术和产业不仅是当今能源的重要补充，更具备成为未来主要能源来源的潜力。《国家能源发展规划》规定，2010—2020年重点采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，以解决偏远地区和无电户的供电问题。目前，国内对光伏并网的研究较多，相关设备越来越先进，相关理论也在不断完善。介绍光伏发电的原理和数学模型，给出目前比较流行的变步长最大功率跟踪的分析和仿真模型，在此基础上描述BOOST电路的工作原理，最后结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性。

1 光伏电池的数学模型和仿真

光伏电池利用光生伏特效应产生电能，工程上普遍采用硅光伏电池进行光电转换。光伏电池的等效模型数学表达式为：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I为太阳能电池输出电流；U为太阳能输出电压；Isc为短路电流；G为太阳能辐射强度；Tref，Gref分别为太阳辐射（1 000 W/m2）和光伏电池温度参考值（25 ℃）；Vm，Im为最大功率点电压、电流；Tc为光伏电池当前温度；α为光伏电池短路的电流温度系数；β为光伏电池开路的电压温度系数。

根据上述公式得出的MATLAB仿真波形如图1所示。

2 并网变换器的控制策略

光伏并网变换器控制策略分为单级式和两级式2种。单级式拓扑结构比两级式少一个DC/DC直流变换环节，并网运行时的控制目标比较多，难以兼顾，因而较少采用。两级式虽然比单级式成本高，但其前后级可以分工合作，控制效果较好。两级式并网变换器控制又分为前级最大功率跟踪和后级最大功率跟踪2种。当采用后级最大功率跟踪时，在不同的运行阶段，前后级需要改变调节速度来满足控制要求，增加了整个系统控制的复杂程度。采用前级最大功率跟踪时，DC/DC环节只需进行太阳能电池的最大功率跟踪，利用功率平衡来维持直流侧电压。为避免能量堆积，要求DC/AC的调节速度比前级DC/DC快，但其更容易实现。前级最大功率跟踪的控制结构如图2所示。

2.1 最大功率跟踪电路控制策略

光伏电池最大功率跟踪电路有BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、CUK电路。BOOST电路（如图2所示）适合工作于小功率光伏系统。BOOST变换电路主要由续流二极管D1、全控开关管T、电感和电容组成。当全控开关导通时，电感开始续能；当全控开关关断时，电感产生的反电动势和电源的电压串联加在电容C2上，这使得电容C2上的电压高于电容C1。

通过改变全控开关T的导通频率和占空比，实现对升压大小的控制。扰动观察法是目前比较常用的最大功率跟踪（MPPT）算法，它通过定期改变光伏电池电压大小来增减功率（见图1）。当运行到最大功率点左侧时，电压增加，功率增大；当运行到最大功率点右侧时，电压增加，功率减少。电压定期改变的大小称为步长。当采用定步长时，会出现最大功率点附近扰动较大或者系统进入最大功率点附近的工作时间较长等问题。而采用变步长则可克服上述问题。

采用自适应占空比扰动观察法，通过改变MPPT模块中脉宽调制信号的占空比来改变升压电路的输入和输出关系，从而实现最大功率的阻抗匹配，克服定步长扰动观察法的缺点，结构简单且容易实现。

2.2 光伏并网变换器控制策略.

三相电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型开关器件，既可以从电网上吸收功率，使系统在整流状态工作，也可以向电网输出功率，使系统在有源逆变状态工作。图2中的整流器数学模型在PARK变换后的表达式为：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L为交流侧滤波电感；R为交流侧线路等效阻抗；C为直流侧电容；Vdc为直流侧电压；idc为直流侧负载电流（工作在整流状态时）；id为解耦后的有功电流；iq为解耦后得无功电流；ω为交流侧电压频率；Sd为解耦后控制有功的开关函数；Sq为解耦后控制无功的开关函数。

整流器的控制策略分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制由于没有交流侧电流反馈环节，所以控制原理简单、工作可靠，缺点是交流侧电流的动态响应比较慢及系统参数变化给网侧电流带来的影响比较大。直接电流控制引入了交流电流反馈，交流侧电流反应快，控制性能有所提高，但控制系统复杂程度较高。不过，直接电流控制依然是目前应用比较广泛的一种控制方法，其控制策略如图3所示。

采用L型并网，利用公式（6），（7），（8）进行并网滤波器参数的选取和PI参数的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L为滤波电感；C为直流侧电容值；fsw为整流器的开关频率；ia为并网后额定电流的单相值；u为并网交流电压的额定有效值；Ts为整流器系统的采样周期；Kpwm为双向整流装置等效增益。

3 光伏系统并网运行仿真

用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究，仿真参数如下：交流侧线电压380 V；直流侧电压600 V；光伏最大功率4 kW；直流负载4 kW；滤波电感6 mL；整流器直流侧电容3 mf；直流升压电路电感1 mL。系统运行状况如下：0.3 s前，直流电网无负载，光伏电源将最大功率输送给电网（4 kW）；0.3 s后，直流电网带直流4 kW直流负载；0.7 s时，光照改变（最大功率为1 500 W），直流网从主网吸收电能来满足直流负载要求。仿真运行情况见图4—6。

图4显示了直流微网中光伏电源最大功率跟踪情况，从波形可以看出，系统很好地完成了控制目标。由图5可知，直流侧直流电压很快进入了设定值，且变化很小。图6展现了网侧相电压和相电流。系统开始仿真后，网侧电流很大，这是由系统需要向直流侧电容充电造成的，向电网提供电能时，电流和电压保持良好的相位关系；当加入直流负载后，直流微网所提供的电能和负载刚好相等，但网侧电流并不为0，这是由设计滤波电感时采用了20%的纹波电流造成的。当系统需要向电网吸收功率供给直流负荷时，网侧电流和电压相位关系也很满意。

4 结论

建立一个由光伏组成的直流微网，利用变步长实现分布式电源的最大功率跟踪，在并网运行的情况下根据负荷和分布式电源的变化从电网吸收电能或者输送电能给电网，并且保持较好的直流电压质量。利用仿真验证提出的控制目标和策略，为光伏并网研究提供参考。

摘要：根据光伏发电的原理和数学模型，设计一个由光伏组成的直流微网。光伏发电部分能够实现变步长最大功率跟踪，结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性，为光伏发电技术的发展提供理论依据。

关键词：光伏系统；最大功率跟踪；仿真；直流微网；控制

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0052-03

近年来，人们逐渐开始利用洁净、可再生能源发电，如太阳能，风能等。光伏发电技术和产业不仅是当今能源的重要补充，更具备成为未来主要能源来源的潜力。《国家能源发展规划》规定，2010—2020年重点采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，以解决偏远地区和无电户的供电问题。目前，国内对光伏并网的研究较多，相关设备越来越先进，相关理论也在不断完善。介绍光伏发电的原理和数学模型，给出目前比较流行的变步长最大功率跟踪的分析和仿真模型，在此基础上描述BOOST电路的工作原理，最后结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性。

1 光伏电池的数学模型和仿真

光伏电池利用光生伏特效应产生电能，工程上普遍采用硅光伏电池进行光电转换。光伏电池的等效模型数学表达式为：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I为太阳能电池输出电流；U为太阳能输出电压；Isc为短路电流；G为太阳能辐射强度；Tref，Gref分别为太阳辐射（1 000 W/m2）和光伏电池温度参考值（25 ℃）；Vm，Im为最大功率点电压、电流；Tc为光伏电池当前温度；α为光伏电池短路的电流温度系数；β为光伏电池开路的电压温度系数。

根据上述公式得出的MATLAB仿真波形如图1所示。

2 并网变换器的控制策略

光伏并网变换器控制策略分为单级式和两级式2种。单级式拓扑结构比两级式少一个DC/DC直流变换环节，并网运行时的控制目标比较多，难以兼顾，因而较少采用。两级式虽然比单级式成本高，但其前后级可以分工合作，控制效果较好。两级式并网变换器控制又分为前级最大功率跟踪和后级最大功率跟踪2种。当采用后级最大功率跟踪时，在不同的运行阶段，前后级需要改变调节速度来满足控制要求，增加了整个系统控制的复杂程度。采用前级最大功率跟踪时，DC/DC环节只需进行太阳能电池的最大功率跟踪，利用功率平衡来维持直流侧电压。为避免能量堆积，要求DC/AC的调节速度比前级DC/DC快，但其更容易实现。前级最大功率跟踪的控制结构如图2所示。

2.1 最大功率跟踪电路控制策略

光伏电池最大功率跟踪电路有BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、CUK电路。BOOST电路（如图2所示）适合工作于小功率光伏系统。BOOST变换电路主要由续流二极管D1、全控开关管T、电感和电容组成。当全控开关导通时，电感开始续能；当全控开关关断时，电感产生的反电动势和电源的电压串联加在电容C2上，这使得电容C2上的电压高于电容C1。

通过改变全控开关T的导通频率和占空比，实现对升压大小的控制。扰动观察法是目前比较常用的最大功率跟踪（MPPT）算法，它通过定期改变光伏电池电压大小来增减功率（见图1）。当运行到最大功率点左侧时，电压增加，功率增大；当运行到最大功率点右侧时，电压增加，功率减少。电压定期改变的大小称为步长。当采用定步长时，会出现最大功率点附近扰动较大或者系统进入最大功率点附近的工作时间较长等问题。而采用变步长则可克服上述问题。

采用自适应占空比扰动观察法，通过改变MPPT模块中脉宽调制信号的占空比来改变升压电路的输入和输出关系，从而实现最大功率的阻抗匹配，克服定步长扰动观察法的缺点，结构简单且容易实现。

2.2 光伏并网变换器控制策略.

三相电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型开关器件，既可以从电网上吸收功率，使系统在整流状态工作，也可以向电网输出功率，使系统在有源逆变状态工作。图2中的整流器数学模型在PARK变换后的表达式为：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L为交流侧滤波电感；R为交流侧线路等效阻抗；C为直流侧电容；Vdc为直流侧电压；idc为直流侧负载电流（工作在整流状态时）；id为解耦后的有功电流；iq为解耦后得无功电流；ω为交流侧电压频率；Sd为解耦后控制有功的开关函数；Sq为解耦后控制无功的开关函数。

整流器的控制策略分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制由于没有交流侧电流反馈环节，所以控制原理简单、工作可靠，缺点是交流侧电流的动态响应比较慢及系统参数变化给网侧电流带来的影响比较大。直接电流控制引入了交流电流反馈，交流侧电流反应快，控制性能有所提高，但控制系统复杂程度较高。不过，直接电流控制依然是目前应用比较广泛的一种控制方法，其控制策略如图3所示。

采用L型并网，利用公式（6），（7），（8）进行并网滤波器参数的选取和PI参数的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L为滤波电感；C为直流侧电容值；fsw为整流器的开关频率；ia为并网后额定电流的单相值；u为并网交流电压的额定有效值；Ts为整流器系统的采样周期；Kpwm为双向整流装置等效增益。

3 光伏系统并网运行仿真

用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究，仿真参数如下：交流侧线电压380 V；直流侧电压600 V；光伏最大功率4 kW；直流负载4 kW；滤波电感6 mL；整流器直流侧电容3 mf；直流升压电路电感1 mL。系统运行状况如下：0.3 s前，直流电网无负载，光伏电源将最大功率输送给电网（4 kW）；0.3 s后，直流电网带直流4 kW直流负载；0.7 s时，光照改变（最大功率为1 500 W），直流网从主网吸收电能来满足直流负载要求。仿真运行情况见图4—6。

图4显示了直流微网中光伏电源最大功率跟踪情况，从波形可以看出，系统很好地完成了控制目标。由图5可知，直流侧直流电压很快进入了设定值，且变化很小。图6展现了网侧相电压和相电流。系统开始仿真后，网侧电流很大，这是由系统需要向直流侧电容充电造成的，向电网提供电能时，电流和电压保持良好的相位关系；当加入直流负载后，直流微网所提供的电能和负载刚好相等，但网侧电流并不为0，这是由设计滤波电感时采用了20%的纹波电流造成的。当系统需要向电网吸收功率供给直流负荷时，网侧电流和电压相位关系也很满意。

4 结论

建立一个由光伏组成的直流微网，利用变步长实现分布式电源的最大功率跟踪，在并网运行的情况下根据负荷和分布式电源的变化从电网吸收电能或者输送电能给电网，并且保持较好的直流电压质量。利用仿真验证提出的控制目标和策略，为光伏并网研究提供参考。

摘要：根据光伏发电的原理和数学模型，设计一个由光伏组成的直流微网。光伏发电部分能够实现变步长最大功率跟踪，结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性，为光伏发电技术的发展提供理论依据。

关键词：光伏系统；最大功率跟踪；仿真；直流微网；控制

中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0052-03

近年来，人们逐渐开始利用洁净、可再生能源发电，如太阳能，风能等。光伏发电技术和产业不仅是当今能源的重要补充，更具备成为未来主要能源来源的潜力。《国家能源发展规划》规定，2010—2020年重点采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，以解决偏远地区和无电户的供电问题。目前，国内对光伏并网的研究较多，相关设备越来越先进，相关理论也在不断完善。介绍光伏发电的原理和数学模型，给出目前比较流行的变步长最大功率跟踪的分析和仿真模型，在此基础上描述BOOST电路的工作原理，最后结合双向整流器提出G光伏直流微网并网的控制策略，并利用MATLAB仿真验证控制策略的可行性。

1 光伏电池的数学模型和仿真

光伏电池利用光生伏特效应产生电能，工程上普遍采用硅光伏电池进行光电转换。光伏电池的等效模型数学表达式为：

I=ISC{1-C1exp

-1+ΔI（1）

C2=（Vm/Voc-1）ln（1-Im/Isc） （2）

ΔI=αG（Tc-Tref）/Gref+（G/Gref-1）Isc （3）

ΔV=-β（Tc-Tref）+RsΔI （4）

式中：I为太阳能电池输出电流；U为太阳能输出电压；Isc为短路电流；G为太阳能辐射强度；Tref，Gref分别为太阳辐射（1 000 W/m2）和光伏电池温度参考值（25 ℃）；Vm，Im为最大功率点电压、电流；Tc为光伏电池当前温度；α为光伏电池短路的电流温度系数；β为光伏电池开路的电压温度系数。

根据上述公式得出的MATLAB仿真波形如图1所示。

2 并网变换器的控制策略

光伏并网变换器控制策略分为单级式和两级式2种。单级式拓扑结构比两级式少一个DC/DC直流变换环节，并网运行时的控制目标比较多，难以兼顾，因而较少采用。两级式虽然比单级式成本高，但其前后级可以分工合作，控制效果较好。两级式并网变换器控制又分为前级最大功率跟踪和后级最大功率跟踪2种。当采用后级最大功率跟踪时，在不同的运行阶段，前后级需要改变调节速度来满足控制要求，增加了整个系统控制的复杂程度。采用前级最大功率跟踪时，DC/DC环节只需进行太阳能电池的最大功率跟踪，利用功率平衡来维持直流侧电压。为避免能量堆积，要求DC/AC的调节速度比前级DC/DC快，但其更容易实现。前级最大功率跟踪的控制结构如图2所示。

2.1 最大功率跟踪电路控制策略

光伏电池最大功率跟踪电路有BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、CUK电路。BOOST电路（如图2所示）适合工作于小功率光伏系统。BOOST变换电路主要由续流二极管D1、全控开关管T、电感和电容组成。当全控开关导通时，电感开始续能；当全控开关关断时，电感产生的反电动势和电源的电压串联加在电容C2上，这使得电容C2上的电压高于电容C1。

通过改变全控开关T的导通频率和占空比，实现对升压大小的控制。扰动观察法是目前比较常用的最大功率跟踪（MPPT）算法，它通过定期改变光伏电池电压大小来增减功率（见图1）。当运行到最大功率点左侧时，电压增加，功率增大；当运行到最大功率点右侧时，电压增加，功率减少。电压定期改变的大小称为步长。当采用定步长时，会出现最大功率点附近扰动较大或者系统进入最大功率点附近的工作时间较长等问题。而采用变步长则可克服上述问题。

采用自适应占空比扰动观察法，通过改变MPPT模块中脉宽调制信号的占空比来改变升压电路的输入和输出关系，从而实现最大功率的阻抗匹配，克服定步长扰动观察法的缺点，结构简单且容易实现。

2.2 光伏并网变换器控制策略.

三相电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier）采用全控型开关器件，既可以从电网上吸收功率，使系统在整流状态工作，也可以向电网输出功率，使系统在有源逆变状态工作。图2中的整流器数学模型在PARK变换后的表达式为：

=

id

iq

Vdc+

ed

eq

（5）

式中：L为交流侧滤波电感；R为交流侧线路等效阻抗；C为直流侧电容；Vdc为直流侧电压；idc为直流侧负载电流（工作在整流状态时）；id为解耦后的有功电流；iq为解耦后得无功电流；ω为交流侧电压频率；Sd为解耦后控制有功的开关函数；Sq为解耦后控制无功的开关函数。

整流器的控制策略分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制由于没有交流侧电流反馈环节，所以控制原理简单、工作可靠，缺点是交流侧电流的动态响应比较慢及系统参数变化给网侧电流带来的影响比较大。直接电流控制引入了交流电流反馈，交流侧电流反应快，控制性能有所提高，但控制系统复杂程度较高。不过，直接电流控制依然是目前应用比较广泛的一种控制方法，其控制策略如图3所示。

采用L型并网，利用公式（6），（7），（8）进行并网滤波器参数的选取和PI参数的整定。

≤L≤ （6）

Kip

=

Kui=

（7）

Kup

=

Kui=

（8）

式中：L为滤波电感；C为直流侧电容值；fsw为整流器的开关频率；ia为并网后额定电流的单相值；u为并网交流电压的额定有效值；Ts为整流器系统的采样周期；Kpwm为双向整流装置等效增益。

3 光伏系统并网运行仿真

用MATLAB/SIMULINK进行仿真研究，仿真参数如下：交流侧线电压380 V；直流侧电压600 V；光伏最大功率4 kW；直流负载4 kW；滤波电感6 mL；整流器直流侧电容3 mf；直流升压电路电感1 mL。系统运行状况如下：0.3 s前，直流电网无负载，光伏电源将最大功率输送给电网（4 kW）；0.3 s后，直流电网带直流4 kW直流负载；0.7 s时，光照改变（最大功率为1 500 W），直流网从主网吸收电能来满足直流负载要求。仿真运行情况见图4—6。

图4显示了直流微网中光伏电源最大功率跟踪情况，从波形可以看出，系统很好地完成了控制目标。由图5可知，直流侧直流电压很快进入了设定值，且变化很小。图6展现了网侧相电压和相电流。系统开始仿真后，网侧电流很大，这是由系统需要向直流侧电容充电造成的，向电网提供电能时，电流和电压保持良好的相位关系；当加入直流负载后，直流微网所提供的电能和负载刚好相等，但网侧电流并不为0，这是由设计滤波电感时采用了20%的纹波电流造成的。当系统需要向电网吸收功率供给直流负荷时，网侧电流和电压相位关系也很满意。

4 结论

建立一个由光伏组成的直流微网，利用变步长实现分布式电源的最大功率跟踪，在并网运行的情况下根据负荷和分布式电源的变化从电网吸收电能或者输送电能给电网，并且保持较好的直流电压质量。利用仿真验证提出的控制目标和策略，为光伏并网研究提供参考。