分布式光伏状态监测与故障自诊断研究

崔强

中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安，716000

0 引言

在全球经济和社会高速发展的驱动下，传统的不可再生能源如煤炭、石油等即将消耗殆尽，同时常规化石能源大量使用造成了世界范围内的环境污染和生态恶化，对人类赖以生存的陆地生活构成了威胁[1]。我国的能源形势不容乐观，开发使用新能源已成当务之急。我国国土面积辽阔，地处北半球，地形地貌丰富复杂，拥有充足的光能资源。因此，光伏发电对于我国来说前景十分可观并且十分可取[2]。对新能源发电并网技术进行研究，具有十分重要的经济和社会价值。

在分布式光伏发电系统中，逆变器是核心部件和关键技术[3]，其主要功能是将光伏发电机输出的交流电经过整流、升压、逆变转变为可以并网的交流电，逆变器实现的目的从前端到后端主要包括整流、电压逆变、谐波消除、电网跟踪、防孤岛效应等，其中逆变器工作状态由于直接决定了光伏发电的输出效率，且关系到整个发电系统的稳定性，故而系统性地研究光伏发电逆变器状态监测与故障自诊断研究具有十分重要的意义[4-6]。

1 光伏发电系统建模

1.1 光伏电池特性

光伏电池采用半导体的光电效应将光能转化为电能，其伏安特性可以简单表示为图1（a），最佳工作点对应电池的最大输出Pmax。图1（b）给出了光伏系统的等效电路示意图，图1（b）中Iph为光生电流源电流，该值与光强、温度及光伏电池面积有关；Rsh、Rs分别是电池内部等效的并联、串联电阻；I0为二极管反向饱和电流；q为电子的电荷量，1.6×10-19C；U、I分别为电池的输出电压和电流；n为二极管理想因子，1＜n＜2；k为玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；T为电池的工作温度。

由图1可计算得光伏发电系统的输出电流方程为：

由上述等效电路模型和电池特性方程可以得到光伏电池在不同光强和温度条件下的I-V、P-V曲线如图2所示。由图2（a）和（b）可以看出，当保持T不变，改变S为1000/800/600和300，光伏电池的短路电流随光强呈正比增加，而开路电压对光强的敏感性较低，电池的输出功率P与光强S成正比关系，S对P的影响明显，尤其是功率峰值点处[7-11]。通过对比图2（c）及（d）可知，电池开路电压随着温度升高而降低，短路电流变化不大，总体上温度升高会造成电池的输出功率降低。综上可知，温度T对输出电压的影响很大，光强S对输出电流的影响很大，随着T和S的变化光伏电池的I-V、P-V曲线均具有非线性关系变化，且存在唯一的最大功率输出点，故在外界光强和温度不断变化的情况下应不断追踪电池最大功率点以保证最大功率输出。

1.2 光伏电池仿真模型

运用Matlab/Simulink软件对光伏电池进行模拟，图3中给出了该系统的模型示意图。本文搭建的模型具体包含电源模块、MPPT控制器、BOOST电路和PWM波产生器等。模型中采用受控电流源反并联二极管和电阻的结构来模拟光伏电池内部的光生电源和反向电流，从电池特性方程可知电池使用仿真模型受开路电压和短路电流等4个基本参数影响，采用封装模块如图3中PV所示对电池进行数学模拟。

由文献[ 12]中可知，占空比对BOOST输入阻抗有影响。利用BOOST电路实现MPPT是源于改变BOOST电路输入阻抗与电池输出阻抗匹配可以获得最大输出功率。然后当MPPT控制器收到电池的输出电压和电流后进行计算，通过PWM产生驱动脉冲，从而控制开关元件的开断。其中采用BOOST变换器来实现MPPT策略，开关元件选择IGBT。IGBT导通时，等效电源向电感充电，同时电容给电阻供电；当IGBT断开时，等效电源和电感共同给电容充电，同时给电阻提供能量。

光伏电池的输出特性主要受光强（S）和温度（T）控制，模型中设定初始温度T0=25℃，初始光强为1000W/m2。系统仿真参数设置为：电池开路电压Uoc=22V，电池短路电流Isc=8.58A，最大功率点输出电压Um=17.7V，最大功率点输出电流Im=7.94A，最大输出功率为Pm=140.5W。

2 MPPT算法实现光伏发电状态监测

扰动观察法是目前常用的MPPT实现方法之一[13]，其具有检测参数少、原理简单和实际硬件结构简单的优点。图4给出了扰动观察法原理图，以一定的步长对电池的输出电压反复进行扰动，通过观察功率点的变化情况来判断当前工作点位于最大功率点的位置，逐步调整扰动方向直到工作点到达功率最大点附近，实现系统最优控制。扰动观察法有两种：电压型扰动观察法和电流型扰动观察法，本文采用电压型扰动观察法，其能够承受较大的光强变化，但剧烈的温度变化会使系统崩溃[14-15]。

在扰动过程中如果步长太大，可以减少趋近最大功率点的时间，但是在到达最大功率点附近会产生较大的振荡，从而使得精度有所下降；反之如果采取小步长则会在达到较高精度的前提下花费更多的搜索时间。基于此，本文采取变步长扰动观测法，图5为本文的电压型扰动观察法的算法流程。借助电导增量法的思想，在基本扰动观测法中加入对斜率的判断，采用两级变速的方式实现MPPT。第一级步长选取较大，快速到达最大功率点附近区域，获得较快的搜索时间；然后采用较小的第二级步长来获得高精度的要求。

3 仿真分析

在模型初始状态下：T0=25℃，S0为1000W/m2，通过扰动观察法进行分析，获得的结果如图6所示。

图6给出了MPPT下的静态光伏系统输出电流、电压以及最大输出功率，从图中可以看出系统在0.05s时快速达到了稳定，输出电流、电压以及最大输出功率均达到要求，与理论值一致，证明该系统的静态性能较好。

当保持外界光强不变时，设定初始温度为50℃，在t=0.2s时降低温度至25℃并于t=0.4s时降低温度至15℃，得到电池的输出电压、电流及最大输出功率如图7（a）所示。由图7（a）中可以得出，当外界温度降低时，电池输出电流持续减小而输出电压增大，最终的输出功率呈增加趋势。当保持外界温度不变时，设定初始光强为1000 W/m2，在t=0.2s时光强降低至600，于t=0.4s时上升至800W/m2，其输出电压、电流及最大输出功率如图7（b）所示。从图7（b）中可以看出，当光强由1000W/m2降低时，输出电流变化明显，随着光强的降低也急剧下降，输出电压变化不明显，最终输出功率与电流呈现相同的趋势。另外从图7中可以看出，光强变化时输出电流的变化较温度变化时更加明显，即输出电流对光强具有更大的敏感性，而对温度变化不敏感；输出电压在温度和光强的影响下均变化不大。

4 结语

本文首先进行了光伏发电系统模拟，研究了不同外界环境下的光伏电池输出功率。其次，运用BOOST电路和PWM模块实现MPPT策略，提出了一种两级变步长扰动观察法，减小了扰动观察法在靠近最大功率点时震荡并保证了快速性。并通过仿真进行了验证，得到以下结论：

（1）光伏电池随着温度T和光强S的变化I-V、P-V曲线均具有非线性关系变化，温度T对输出电压的影响很大，光强S对输出电流的影响很大，存在唯一的最大功率输出点。

（2）改进后的两级型扰动观测法较基本方法能够在保证快速性的前提下增加精度，获得更好的输出特性。在外界条件动态变化时，其最大功率跟踪特性好。

（3）仿真结果表明电压型扰动观测法下，电池输出电流对光强具有更大的敏感性，输出电压则影响均不大。