52基于MATLAB光伏并网逆变系统的仿真研究

制 Ism能够控制 P ,因此单级能量变换可实现最大的功 率跟踪功能 。
综上所述 ,单级能量变换结构的并网光伏逆变器 ,
其控制目标为 : 控制逆变电路[7 ,8 ] 输出的交流电流 io 为稳定 、高品质的正弦波 ,且与 Us 同频 、同相 ,同时希 望通过调节 io 的幅值 Io ,使光伏阵列工作在最大功率 点附近 。这里选择了并网逆变器的 io 作为被控制量 。 2. 2 电网同步信号检测
M PP T 的实质是一个自寻优过程[3 ,4 ] 。当负载特 性与太阳电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应 电压 Um 之左时 ,M PP T 的作用是使交点处的电压升 高 ;而当交点在阵列最大功率点相应电压 Um 之右时 , M PP T 的作用是使交点处的电压下降 。
通过对定电压跟踪 、功率回授 、扰动观测及电导增 量几种最大功率点跟踪方法的比较 ,发现电导增量法 以其优良的跟踪性能而应用较为广泛 。电导增量法是 通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的 方法来完成最大功率点跟踪功能的 。图 2[5 ] 示出太阳 能电池阵列的曲线 。
率跟踪的单极式光伏并网逆变器 。逆变器控制部分由 DSP 实现最大功率跟踪和输出电流跟踪控制 ,实现了逆变输出电流
与电网同步 ,且高功率因数运行 。仿真结果表明 ,单极式光伏并网逆变系统能准确跟踪太阳能电池最大功率点 ,并具有较
好的稳定性 。
关键词 : 并网光伏系统 ;最大功率点跟踪 ;电导增量法 ;单极并网逆变器
最大功率控制方法也有一个发展过程 ,早期的光 伏系统采用恒定电压控制方法 ,这种方法的优点是简 单易行 ,而且基本可以跟踪最大功率点 。但随着电力 电子及控制技术的发展 ,这种方法简单性与其造成的 能量损失相比已显得很不经济 。因此一些新的控制方 法应运而生 , 如电压跟踪法 、扰动观测法 、电导增量 法[2 ] 、间歇扫描跟踪法等 。笔者采用的是电导增量法 。
4 结论
由仿真结果可以看出 ,仿真的结果和理论分析是 一致的 ,从而验证了电导增量法实现最大功率跟踪的 光伏并网逆变控制策略的可行性和正确性 ,并且通过 MPPT 的控制策略可对实际控制过程中的控制参数 选取提供帮助 ,以实现系统的最优控制 。
图 4 单级光伏并网逆变器结构框图
电网电压同频同相[6 ] 。因此要检测电网电压 ,这里检 测电网电压的目的只是为对电流实现同步控制 。检测 电网电压的过零点作为控制电流的同步信号 ,程序中 表现为 DSP 控制系统的同步中断源 。 2. 3 控制流程
控制流程如图 5 所示 ,经过 M PP T 控制得到参考 电压和太阳能电池的实际电压相比较后 ,得到最大功 率点 ,产生指令电流 Iref 。指令电流 Iref 与正弦表值相 乘 ,就得到交变的输出电流指令 Iref sin ( w t) 。再将它 与实际采集到的输出电流值比较后 ,其误差经过比例 环节 P 的调节 。所得到的波形再与三角波比较 ,最后 用于产生了四路 PWM 调制信号 。因为正弦表值是根 据网压的同步信号产生的 ,因此可以使电流信号与网 压同步 。通过电压外环和电流内环的电流型 SPWM 控制 ,最终可以实现网侧电流正弦化且为单位功率因 数输出 。
Telecom Power Technologies J uly 25 , 2007 , Vol. 24 No . 4
图 2 太阳能电池阵列的曲线
由此可得最大功率值 Pmax 处的斜率为零 ,因此有 :
P= UI
(1)
d P/ dU b = I + U d I/ dU b = 0
(2)
d I/ dU b = - I/ U
实现同步并网的关键是要求输出的正弦交流电与
·19 ·
2007 年 7 月 25 日第 24 卷第 4 期
通信电源技术
Teleco m Power Technologies
J uly 25 , 2007 , Vol. 24 No . 4
仿真波形如图 6 所示 。图 6 是输出电流在不同滤波电 感值下的波形图 ,由图可知 ,滤波电感值越大输出电流 越接近正弦波 。
1 最大功率控制方法
1. 1 恒定电压控制( CTV) 在不同的光照强度下 ,硅太阳能电池阵列具有图
收稿日期 : 2006212227 作者简介 : 姜子晴 ,女 ,河南人 ,硕士研究生 ,研究方向为电力 电子技术及光伏发电 。
·18 ·
1 所示的伏安特性曲线 。太阳电池既非恒压源 ,也非 恒流源 ,而是一种非线性直流电源 。太阳能电池阵列 的伏安特性曲线与负载特性曲线 L 的交点 A 、B 、C、 D 、E 即为光伏系统的工作点 。如果能使工作点移至 光伏阵列伏安曲线的最大功率点 A’、B’、C’、D’、E’ 上 ,就可以最大限度地提高光伏阵列的能量利用率 。
图 5 控制流程图
3 仿真
根据上述研究 ,依照图 4 的原理图用 MA TL AB 7 . 0软件进行仿真 ,额定输入功率 400 W ,太阳电池开 路电压 170 V 左右 ,并网电压 Uo 为 220 V ,频率 50 Hz ,
图 6 电感值在 1 mH,4 mH,8 mH的 io仿真波形
图 3 最大功率跟踪算法流程图
2 单极光伏并网系统
2. 1 单极式并网光伏能量变换环节
单极式并网光伏能量变换环节的结构如图 4 ,假
设滤波电感 、滤波电容及逆变电路的损耗忽略不计 ,忽
略滤波电感的等效串联电阻 ,则光伏阵列向本地负载
和电网供电的能力为 :
P = P1s = P1 + Ps = P1 + U sm Ism co sθ
2007 年 7 月 25 日第 24 卷第 4 期
文章编号 :100923664 (2007) 0420018203
通信电源技术
Teleco m Power Technologies
J uly 25 , 2007 , Vol. 24 No并网逆变系统的仿真研究
图 3 中 U n 、In 分别为新检 测的 电压 和电 流值 , Ub 、Ib 为前一采样周期光伏阵列的电压和电流值 , D 为定扰动值 。首先检测光伏阵列的输出电压和电流 , 根据前一采样周期光伏阵列的电压和电流计算出变化 量 ;然后判断电压的变化量是否为零 。若为零 ,再判断 电流的变化量是否为零 ;若都为零 ,则表示阻抗一致 , 无需调节给定电流的幅值 。若电压变化量为零 ,电流 变化量不为零 ,则表示环境有变化 ;若电流变化量大于 零 ,减小给定电流的幅值 ,反之则增加 。若电压变化量 不为零 ,则式 (3) 是否成立是关键 。若式 (3) 成立 ,表示 阵列已工作在最大功率点 ;若电导变化量大于负电导 值 ,则减小给定电流的幅值 ,反之则增加 。最后将本次 光伏阵列的电压和电流值保存 。
Key wo rds : grid2connected p hotovoltaic ( PV) system ; maximum power point t racking ; co nductance increment met h2 od ; single2state PV inverter
近年来 ,随着电力电子及其控制技术的发展 ,电压 型 PWM 斩波控制技术越趋成熟 ,电压型光伏并网逆 变器越来越多地被人们采用 。合肥工业大学新能源研 究所提出了一种电流寻优的光伏并网逆变器设计[1 ] , 提高了系统的动态响应时间 ,实现了正弦波电流跟踪 控制 。本文在其基础上采用了一种电流型跟踪控制方 案 ,用 DSP 控制并实现了最大功率跟踪 。
姜子晴 ,陈照章 ,徐晓斌 ,黄永红 (江苏大学 电气信息工程学院 ,江苏 镇江 212013)
摘要 : 光伏并网发电系统是光伏发电系统发展的趋势 。文中介绍了单极式光伏系统的拓扑结构和实现最大功率的
工作原理 ,阐述了电导增量法实现 MPP T 的基本思想 。根据光伏系统并网发电拓扑结构 ,设计了一套新型的实现最大功
(3)
式 (3) 是要达到最大功率点的条件 ,即当输出电导
的变化量等于输出电导的负值时 ,太阳能电池阵列工
作于最大功率点 。电导增量法是多种最大功率跟踪方
法中跟踪准确性最高的一种方法 ,可使系统在环境快 速变化的情况下具有良好的跟踪性能 。在辐照度和温
度变化时 ,太阳能电池阵列的输出电压能平稳追随环 境的变化 ,且输出电压摆动小 。该控制算法流程图如 图 3 所示 。
中图分类号 : TM615
文献标识码 : A
The Simulation Research o n Inverter System Based o n MA TL AB Grid2Co nnected Photovoltaic ( PV) System
J IAN G Zi2qing , C H EN Zhao2zhang , XU Xiao2bin , HUAN G Yo ng2hong (J iangsu University , Zhengjiang 212013 , China)
通信电源技术
2007 年 7 月 25 日第 24 卷第 4 期
姜子晴 等 : 基于 MA TL AB 光伏 并网逆变系统的仿真研究
当环境温度为 60 ℃时下降至 299 V ,其下降幅度为 17 . 5 %。这是不容忽视的影响 ,而这一点采用恒定电 压跟踪是无法克服的 。 1. 2 最大功率控制( MPPT)
(4)
式中 :
P ———光伏阵列的输出功率
P1 ———负载的消耗功率 PS ———向电网的输出功率 U sm ———电网电压幅值 Ism ———并网电流幅值 θ———电网电压与并网电流间的相位差
设负载消耗的功率保持不变 ,由式 (4) 可知 ,并网
电流可被调制成与电网电压 Us 同相的正弦波 ,因此系 统的功率因数近似为 1 。此外 ,由式 (4) 可见 ,通过调
Abst ract : Grid2co nnected p hotovoltaic ( PV) system is t he t rend of p hotovoltaic system’s develop ment . This paper in2 t roduces t he topology and M PP T’s p rinciple of single2state PV system , as well as t he basic p rinciple to realize M PP T by co nductance increment met hod. Acco rding to t he topology of t he PV system , a novel single2state PV inverter is designed. The inverter is of M PP T and expo rt current t racking and synchro nization wit h t he utility and operation at high power facto r based o n DSP. Simulink result illust rates single2state grid2connected PV system can realize MPP T accurately ; it also shows t he high stability and high efficiency.