太阳能与市电互补系统的Matlab仿真研究

杨 涛，胡天友，杨 攀

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都610106；2.电子科技大学，四川成都611731；3.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆401100)

太阳能与市电互补系统的Matlab仿真研究

杨 涛1，胡天友2，杨 攀3

(1.成都大学电子信息工程学院，四川成都610106；2.电子科技大学，四川成都611731；3.重庆长安新能源汽车有限公司，重庆401100)

在具有多个新能源输入的联合供电系统中，一个多输入直流变换器(MIC)就可以实现传统的多个单输入直流变换器的功能，并且达到简化系统结构、降低系统成本的目的。MIC通常需要进行能量管理以实现可再生能源的优先利用。首先将多输入直流变换器系统和单输入直流变换器系统进行了比较，然后以双输入Buck变换器为例，分析了双输入Buck变换器工作原理。为了验证双输入Buck变换器工作原理的正确性，在Matlab中搭建了基于太阳能与市电互补的双输入Buck变换器仿真模型，对系统进行了仿真分析。仿真结果验证了双输入Buck变换器工作原理和能量管理策略的正确性。

联合供电系统；多输入直流变换；能量管理；Matlab

能源是整个人类社会和发展的物质基础，没有了能源，人类文明的发展也将停止。随着人类社会的飞速发展，对化石能源等不可再生能源的消耗量日益增加，造成能源衰竭、环境污染等问题，严重影响了社会的平衡发展。

新能源作为解决能源危机、环境污染的重要途径之一，已逐渐被人们重视起来。新能源一般是指可再生能源和无污染能源，包括太阳能、生物质能、水能、风能、地热能、波浪能、洋流能和潮汐能等。新能源凭借其清洁无污染、分布广泛、可持续利用等众多优点，成为了各国科学家的研究热点。但许多新能源受到环境和天气的限制，存在供电不稳定和不连续的缺点，因此通常将不稳定的新能源与稳定的发电单元结合起来，联合稳定地向用户提供电能[1]。

多输入直流变换器(Multiple-Input Converter，MIC)的概念是随着新能源联合供电系统的发展而提出的。MIC[2]具有多种工作模式，既可单独向负载供电，又可同时向负载供电，实现严格意义上的能量互补。

太阳能是一种十分具有潜力的可再生清洁能源，使用易于获得的市电作为其后备能源可以有效解决其供电不稳定的缺点[3]。本文在Matlab中搭建了基于双输入Buck变换器的太阳能与市电互补系统，并进行了仿真。

1 两种联合供电系统的比较

图1给出了一种基于多个单输入直流变换器的新能源联合供电系统。可以看出，每个输入源都各自具有一个适合其特性的直流变换器对其进行电能变换，然后再并联到一条公用的直流母线上。

在图2中，采用一个多输入直流变换代替图1中的多个单输入直流变换器，此系统将多种能源输入到多输入直流变换器中，进行能量变换后再给负载提供电能[4]。

图1 单输入直流变换器系统

图2 多输入直流变换器系统

可以看出，图2中的系统元器件减少了许多，这样可以降低系统的复杂度和成本，同时也可以使得系统控制更加灵活。而且图1中系统的每个变换器的输出并联在直流母线上，由于电压钳位的原因，同一时刻只能有一路输入源向负载提供电能，并不是严格意义上的能量互补系统。而图2中的系统通过合理地控制多输入直流变换器中的开关管，可以达到严格意义上的能量互补。

综上所述，可以看出图2中的结构比图1中的结构在联合供电系统中更有优势，图2中的系统将逐渐取代图1。

2 双输入Buck变换器工作原理

接下来对一种典型的多输入直流变换器系统进行详细分析，如图3所示，为双输入Buck变换器的电路图。图中Vin1和Vin2分别是两路输入电压，V1、V2为开关管，VD1、VD2为续流二极管，Lf和Cf是输出滤波电感和电容，RLd是负载。

重新爬上床，却横竖睡不着了，身子翻来覆去，心情也变得烦躁起来。越不想去听客厅的动静，耳朵却偏偏侧起来听。于是又听见小母鸡说，咯咯咯，他们可真逗。老母鸡忙不迭地回应，咯咯答，谁说不是呢？

图3 双输入Buck变换器电路图

V1导通，V2截止时，Vin1单独向负载供电。V1截止，V2导通时，Vin2单独向负载供电。V1、V2同时导通时，Vin1、Vin2串联向负载供电。只要合理控制V1、V2的导通与关闭就可控制两路输入源的能量合理分配，并向负载提供稳定的电能。图4给出了双输入Buck变换器的工作波形。

由以上分析可知，该变换器的平均输出电压为：

本文研究的系统采用太阳电池作为可再生能源，市电整流作为太阳电池的补充能源[5]。在此系统中，可以分为以下三种工作模式：

工作模式1：当负载所需功率小于太阳电池的功率时，此时太阳电池单独对负载进行供电，通过调节开关管Q1的占空比可以使变换器工作在稳压状态。Q2始终关断，市电不工作。

工作模式2：当进入晚上或者遇到阴雨天气，太阳电池不能正常工作时，此时由市电单独供电，通过调节开关管Q2的占空比可以使变换器工作在稳压状态。Q1始终关断，太阳电池不工作。

工作模式3：当太阳电池可以正常工作但功率小于负载所需功率时，此时太阳电池与市电同时供电，控制Q1使太阳电池工作在最大功率输出状态，控制Q2稳定输出电压，由市电来补充不足的功率。

图4 双输入Buck变换器的工作波形

3 双输入Buck变换器的建模与仿真分析

图5 仿真模型原理图

系统主要由太阳电池、市电整流、双输入Buck变换器、MPPT控制器、电压调节器、电流调节器、模式选择器等模块构成。下面分别介绍各个模块的作用和工作原理。

太阳电池，即PV模块，是对太阳电池进行的建模，具体参数在不同仿真模式下进行给定，我们设置的参数为标准测试条件下的参数，即光强(1 000 W/m2)和温度(25℃)。

MPPT控制器的功能为对太阳电池的电流电压进行计算后，给出最大功率点电流参考值，输出到电流调节器的输入端。

AVR模块是电压调节器，主要作用为稳定输出电压，让其跟踪给定值。电路原理是：输出电压与给定值比较以后经过PI调节，然后再通过PWM生成器就得到PWM2信号，从而跟踪给定输出电压。经过PI调节后的另外一条支路就到了MC模块，此信号主要作为系统工作模式的选择信号。

MC模块主要作用为系统工作模式的选择。其内部原理图如图6所示，其工作原理为信号首先经过一个选择器，作用为当大于0时，选择器输出为0信号，最后输出的也为零信号，此模块对ACR模块没有影响，此时对应于工作模式2和模式3；当小于0时，输出信号，其中R2和C1的作用为把电压信号转换为电流信号，作为ACR的一路给定信号，此时对应在模式1。

图6 MC内部原理图

ASR的主要作用分为两种模式：当太阳电池板单独供电时，作为一个电压调节器去调节输出电压；当同时供电时，其主要作用为使输出电流跟随太阳电池板的最大功率点电流。工作原理为：输入由太阳电池最大功率点电流、太阳电池电流和AVR的输出信号组成，这三个信号经过比较和PI调节后，通过PWM生成器后得到Q1的控制信号PWM1。

以上是系统的建模过程，下面通过系统的仿真分析来验证系统的正确性。

图7给出了标准状况下，即太阳电池最大功率为450 W时，太阳电池单独向负载供电的系统仿真波形。图中，是输出电压，是输出电流，是市电整流电压，是市电整流电流，是太阳电池电压，是太阳电池电流。图8、9中也是如此。此仿真中太阳电池最大输出功率高于负载功率，太阳电池不能以最大功率输出，控制使太阳电池进行稳压，市电退出供电。由图中波形数据可以计算得到太阳电池的功率为200 W，等于负载功率，工作点不在最大功率点上，输出电压可以稳定在80 V。

图7 太阳电池单独供电仿真波形

将太阳电池的光强参数改为0，此时太阳电池不能正常工作，图8给出了太阳电池不工作时，市电单独向负载供电时的稳态仿真波形。此时市电单独供电，太阳电池退出供电。由图中波形数据可以计算得到市电输出功率为200 W，等于负载功率，输出电压稳定在80 V。

图8 市电单独供电仿真波形

将太阳电池的光强参数设定为400 W/m2，此时太阳电池的最大功率不足以满足负载所需功率，图9给出了太阳电池与市电同时供电的仿真波形。此时太阳电池输出最大功率，市电补充不足功率，进行稳压。太阳电池输出功率等于150 W，工作在最大功率点上，市电补充剩余的功率，负载电压等于80 V。

图9 太阳能与市电同时供电仿真波形

4 结论

多输入直流变换器应用在可再生能源联合发电系统中，可简化电路，缩小系统成本。由于系统通常存在多个输入源同时向负载供电，其能量管理是此类系统的重点研究对象。

本文以双输入Buck变换器为例，分析了双输入Buck变换器的工作原理和工作模式，并在Matlab中对系统进行了建模和仿真。仿真结果验证了此系统的正确性和有效性。

[1]卢平.能源与环境概论[M].北京：中国水利水电出版社，2011：6-41.

[2]KIM S K,JEON J H,CHO C H,et al.Dynamic modeling and control of a grid-connected hybrid generation system with versatile power transfer[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on, 2008,55(4):1677-1688.

[3]阮新波，严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京：科学出版社，2000:34-41.

[4]杨东升，杨敏，阮新波.双输入Buck变换器的单周期控制[J].电工技术学报，2012，27(1):162-171.

[5]田勤曼.光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究[D].天津：天津大学，2008.

[6]周世琼，卢智峰，康龙云.太阳电池的建模与仿真[J].深圳信息职业技术学院学报，2012,10(1)：80-83.

Matlab Simulation study of hybrid power system composed of photovoltaic and commercial Power

In hybrid power systems of multiple inputs,a multiple-input converter(MIC)could realize the function which was realized by traditional single-input converters, which could simplify structure and lower cost of the system.Usually,the MIC needed to conduct power management to realize the priority use of the renewable energy.Two hybrid power systems were compared.Then the principle of the circuit of a double-input Buck converter system was analyzed.The simulation model of the double-input buck converter of the system combined by solar cell and commercial power was built,and simulation was conducted.The simulation results verify the correctness of the principle and power management strategy of the double-input buck converter.

hybrid power system;multiple-input converter;power management;Matlab

TM 47

A

1002-087 X(2016)03-0625-03

2015-08-19

成都市科技项目(11GGYB945GX-070)

杨涛(1969—)，男，四川省人，高级工程师，主要研究方向为电气工程及测控。

胡天友，E-mail:hutianyou138@sina.com