太阳能光伏电池方阵及直流变换系统仿真设计

段元奕，刘家博，沈怡平

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

随着现代微电子科学技术、光纤科学技术和微机的发展，电力电子装置的容积、重量、效率、热特性等各方面的技术指标也日新月异。与此同时，电力电子器件、电力电子电路及电力电子装置的电脑建模与仿真技术也在进一步发展。中国清洁能源战略的一个发展重点就是光伏发电技术，而光电并网技术已成为中国太阳光资源的最重要开发利用方式。鼓励对光伏发电及并网技术的研究，是有效减轻中国环境压力、促进中国绿色生态、可持续型经济发展模式的关键切入点。

1 太阳能光伏电池方阵仿真设计

将光伏电池当作能够稳定产生光电流Iph的电流源。Rs代表的是光伏电池、引线的体电阻和引线与电池接触电阻的总电阻。Rsh代表的是电池表面因污渍等导电物质造成的跨接电阻。二极管代表的是经过PN结的扩散电流。剩余的光电线流过Rs，再流向负载[1]。具体电路图见图1。

图1 光伏电池单二极管等效电路

依据图1推导出的数学物理模型为

(1)

式(1)经过简化推导，可以得到光伏电池的工程用数学模型：

(2)

标准条件：光照强度Sref=1 000 W/m2，电池工作温度Tref=25 ℃。当电池温度不是在标准条件下取值时，取T=Tair+K×S，其中，Tair为空气的温度，S为实际光照强度，取K=0.03。当环境条件不是标准条件时，参数Isc、Uoc、Im、Um需要相应地改变，如下所示。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ΔT=T-Tref，ΔS=S/Sref-1，a=0.002 5，b=0.5，c=0.002 88[2]。

Isc为短路电流，空载电压Uoc是空载电压。这样，在使用该模式时只需提供光伏电池最基本的技术参数Isc、Uoc、Im和Um，就能够按照式(3)至式(6)定义光伏电池的伏安特性曲线[3]。

多个太阳能光伏电池方阵经过串、并联组合成太阳能光伏电池方阵，因此太阳能光伏电池方阵的模型与上述太阳能光伏电池方阵一致，只是需要根据串、并联关系，对Isc、Uoc、Im和Um的参数值进行改变(串联使得电压加倍，并联使得电流加倍)。根据上述公式与原理，基于太阳能光伏电池方阵防真设计在Matlab/Simulink中建立了该模型，图2所示为太阳能光伏电池方阵参数设置界面[4]。

图2 太阳能光伏电池方阵参数设置界面

2 MPPT电路仿真设计

最大功率点跟踪(MPPT)电路仿真设计采用的MPPT电路利用的是扰动观测法的基本原理[5]。如图3所示，设光伏组件在当前工作点功率为Pn，增加了运行电压ΔV后，在下一时刻工作点对应功率为Pn+1，此时Pn

图3 扰动法爬升过程

如图4所示，继续增加运行电压ΔV，此时Pn>Pn+1，需减小运行电压ΔV，则工作点从另一方向向峰顶爬升。这样可以不断控制光伏电池工作点电压的变化，最终实现工作点平稳运行在最大功率点附近[7]。

图4 扰动法反向爬升过程

3 DC/DC变换器仿真设计

要完成直流母线和太阳能光伏电池方阵之间的电气分离，就必须选择带有高频变压器的DC/DC转换器方案，因此在DC/DC变换器仿真设计中使用图5给出的隔离Boost升压电路。

图5 隔离Boost升压电路

隔离Boost升压电路在升压的同时，用高频变压器作为电气隔离，其升压倍数由Boost电路与隔离变压器共同组成；隔离Boost电路在实现升压的同时，仅用最少的开关器件，能在相同条件下实现最大的升压倍数，所以选择隔离Boost电路。

隔离变压器变比nT取值1，则根据输出电压与输入电压关系可得到：

(7)

D=1-Ui/Uo=1-1 200/4 000=0.7

(8)

隔离升压电路的电感需要保持输入电流连续，因此需要的最小值为

=75.6 μH

(9)

将数值代入，太阳能光伏电池方阵正常工作电压是1 200 V的输出，最大功率点电压为1 500 V，同时由于额定功率不低于2 MW，因此输入电流最小值为1 667 A，系统设计频率为10 kHz，基于隔离升压电路的特性，电流脉动频率f为20 kHz，式中T为5×10-5，计算得出L为75.6 μH。功率开关管Q1～Q4设定耐压值时，以高频变压器原边最大电压作为取值依据，设计值为2 kV，当耐压余量为50%时，则需要选择耐压值为3 kV的开关管。输入电流为1 667 A，选择输入额定导通电流为2 kA的开关管，如果没有满足要求的器件，则可以选择并联的功率开关管。整流二极管耐压值的设定以高频变压器副边最大电压作为取值依据，设计值为2 kV，当耐压余量为50%时，则需要选择耐压值为3 kV的二极管，输出电流额定值为1 kA，选择2倍余量的二极管，则最终选择2 kA导通电流的二极管。输出滤波电容选择耐压值为2.5 kV，容值为1 mF的电解电容[8-10]。

隔离升压电路需要完成对太阳能光伏电池方阵的最大功率追踪，因此隔离升压电路需要采集太阳能光伏电池方阵的输出电压Upv与电流Ipv。该设计选择扰动观测法。如图6所示，在1个周期的2个Ton区间，4个开关管全部导通，此时电感充电，隔离变压器原边短路，在2个Toff区间内，分别对副边输出正负电压[11]。

图6 隔离升压变换器驱动脉冲

4 逆变电路仿真设计

因为需要并网，所以最终输出应为三相工频交流电。逆变电路仿真设计采用图7所示的三相桥式逆变电路，该逆变电路结构简单，可靠性高，逆变效率可达97%，输出波形也较好[12]。

图7 三相桥式逆变电路

逆变器的功率开关管直流侧电压在2 kV上下浮动，因此选择3 kV耐压值的开关管作为逆变电路的功率器件。当采取SPWM调制时，三相逆变器输出线电压为

Uo=0.816Udc=1 632 V

(10)

则三相输出线电流为

(11)

根据上式，该设计选择额定导通电流为2 kA的开关管。

输出滤波LC电路，其截止频率为

(12)

开关频率为10 kHz，截止频率为1.6 kHz时，可选择电感值为100 μH，电容值为100 μF的滤波电路[9]。

通过图8中原理可以进行实现并网操作。采集电网侧ua、ub、uc与ia、ib、ic，通过abc-αβ变换后，由于采用输出电流控制，且电网侧电压固定，因此改变网侧输入电流ia、ib、ic可实现功率传递，其中PWM环节选择SPWM调制[13]。

图8 静止坐标系下的PIR控制

5 仿真与发现的问题

建立仿真电路图，运行后发现太阳能光伏电池方阵输出电流波动过大，可通过改变隔离升压电路的输入电感，来调节电流波动过大的问题，输入电感提升10倍后，电流波动抑制明显[14]。

再次开启仿真，可发现三相输出电压有较大畸变，为此将LC滤波电路的C值提高10倍，L提升2倍后，得到图9中的输出电压，波形有较大改善。

图9 三相逆变输出电压

6 结语

该设计中，太阳能光伏电池方阵输出的直流电经过隔离Boost升压电路后，输出为高电压直流电，再经过三相桥式逆变电路输出为三相工频交流电。其中，隔离Boost升压电路的控制电路采用简单实用的扰动观测法来实现MPPT功能；三相桥式逆变电路的控制电路的PWM环节选择传统的SPWM调制。文中设计了一种光伏直流汇集系统，并通过Matlab进行了仿真验证和参数改进，该设计简单易行，具有一定的参考价值。