基于扰动观察法的智能家庭微电网设计

王旭 戴杰 沈赞 刘奕琳 刘树鑫

摘要：本文主要对小型家庭智能微电网进行研究，把太阳能光伏电池板产生的直流电成功的并入到电网。首先，本文对光伏电池板的输出进行最大功率点（MPPT）跟踪研究，然后运用扰动观测法设计控制策略，通过Matlab/Simulink对电路进行软件仿真。最后，应用了光伏发电电量APP实时监测发电参数，用户可24h全天候远程监测微电网运行状态，提高微电网运行状态监测的灵活性与方便性，及时发现系统异常情况，确保微电网安全稳定运行于最优状态。

关键词：并网逆变器;最大功率点跟踪;实时监测;微电网

一、 绪论

相对于常规发电来说，光伏发电具有发电能源可持续、发电能量回报率高、清洁无污染、无地域限制、发电网络应用布局灵活、维护方便、寿命长、相对成本低等优点。随着科技发展，社会能源消费结构发生变化，光伏发电技术将成为解决能源危机的主要途径。2010年后，在欧洲经历光伏产业需求放缓的背景下，我国光伏产业迅速崛起，成为全球光伏产业发展的主要动力。2017年度，我国光伏新增并网装机量达到53GW。2021年我国国内光伏正式进入平价上网阶段，产业规模将持续扩大，新增装机有望达55GW，到2022年或将达到65GW。据国际能源署（IEA）预测，到2030年全球光伏累计装机量有望达1721GW，到2050年将进一步增加至4670GW，光伏行业发展潜力巨大。依托于光伏屋顶计划和国家法规的支持[1]，许多欧美发达国家也相继成功研发了针对不同场合的光伏发电装置，光伏发电成为各国重要的能源结构改革方向。

二、 MPPT最大功率点追踪

1、 光伏模块最大功率点

当在一样的外部条件下（光照不变，温度相同），光伏电池的输出只有一个最大功率，只有在输出电压等于那个条件下的值时，才能使系统的输出功率达到最大值，这个电压对应的功率P点被称为最大功率点。

表示太阳能电池等效电压（短时间内可以看成恒定电压源），为外部负载的等效电阻值，为太阳能电池内部的等效电阻值。

则负载上的功率是：

（2-1）

公式两边对进行求导数可得：

（2-2）

从上式可以知道，要想装置的输出功率达到最大值，有且仅当与相等时才能达到。所以需要不断的调整DC-DC变换器的输出等效电阻，使它的阻值和太阳能电池的内阻相等，就能实现MPPT跟踪策略了。

2、扰动观察法

目前，最大功率点跟踪算法成为研究的热点，技术也趋向成熟。算法主要有电导增量法，扰动观察法，恒定电压法等，以及一些智能算法，包括：模糊控制法，基于人工神经网络的算法等[2]。本节主要应用扰动观察法对最大功率点进行跟踪。

扰动观察法的工作原理：太阳能电池同等条件下只有一个工作点对应一个最大功率，只有小型太阳能独立装置工作在处时，有。当小型太阳能独立装置工作在左边，有，表示需要给正方向的扰动;当小型太阳能独立装置工作在处右边，有，表示装置需要给反方向的扰动。

扰动观察法的实现的过程为;

（1）先让太阳能电池进行工作，此时采样记录下此时的初始工作电压;

（2）然后通过控制算法来改变DC-DC变换器里的占空比D，此時给太阳能电池的输出电压一个具有周期性（尽量比较小）的干扰电压（或电流）;

（3）在扰动前，通过DSP采样的I（K）、U（K）计算此次的功率P（K），扰动后的为P（K+1）;

（4）通过计算P（K+1）减去P（K）后的差值是否为零。当的值大于0，说明扰动的方向是正确的，可以继续给周期性的扰动;

（5）否则，需要给装置反方向的周期干扰。不断的给装置周期性干扰，从而使装置不断的向处靠近，输出。

3、仿真分析

所选光伏模块在环境温度25时，光照强度1kW/m2时输出功率为100180W，光照强度0.5kW/m2时输出功率为50752W。

通过改变光伏模块输入端的光照强度值，得到如下结果：环境温度25℃时，光照强度1kW/m2时输出功率为100200W，光照强度0.5kW/m2时输出功率为50760W，与光伏模块自带参数值接近，验证了仿真的正确性。

三、 智能家居

1、 微电网监测系统

应用了一款Android手机App，用户可24h全天候远程监测微电网运行状态[3]。同时，将手机远程监测系统与现场监控中心有机结合，提高微电网运行状态监测的灵活性与方便性，及时发现系统异常情况，确保微电网安全稳定运行于最优状态。此监测系统方便用户实时远距离观测到光伏发电系统的发电量情况，以及检测光伏发电系统是否发生故障。

2、远程监控APP

本次使用卓虎智能App对微电网的发电情况进行实时远程监测，其中包括充电器电源测控、光伏发电计量和控制开关、进户总表计量、离网逆变器输出监测和控制等监控项目[4]。

四、 结论

本文以小型家庭智能微电网为研究对象，把太阳能光伏电池板产生的直流电成功的并入到电网。首先，本文对光伏电池板的输出进行最大功率点（MPPT）跟踪研究，然后运用扰动观测法设计控制策略，最后通过Matlab/Simulink对电路进行软件仿真，同时还应用了光伏发电电量APP实时监测发电参数，用户可24h全天候远程监测微电网运行状态，将手机远程监测系统与现场监控中心有机结合，提高微电网运行状态监测的灵活性与方便性，及时发现系统异常情况，确保微电网安全稳定运行于最优状态。

参考文献：

[1]冯宝刚. 分布式光伏发电系统中并网/独立双模式逆变器研究与实现[D]. 南京：江苏大学，2018.

[2]黄迅. 并网发电系统低电压穿越控制策略研究[D]. 华北电力大学，2019.

[3]刘凯. 分布式光伏电站与抽水蓄能联合运行研究[D]. 成都：电子科技大学，2020.

[4]王坤. 独立光伏发电系统一体化控制器研究与实现[D]. 天津：天津工业大学，2020.

获沈阳工业大学大学生创新创业训练计划项目资助，项目编号：S202110142024