单相光伏并网发电系统的建模与仿真

作者:杨凯祥;邵桂荣 刊名:平顶山学院学报 上传者:庄国芳

【摘要】光伏并网发电具有集成度高、使用方便、清洁无污染等优点,是光伏发展的一个主要方向.设计的单相光伏并网发电系统采用两级式拓扑结构,前级采用Boost直流变换器结构,用扰动观测法进行最大功率点跟踪,后级用全桥逆变电路将直流电逆变为交流电.最后,在MATLAB/Simulink环境下建模、仿真,仿真结果基本符合要求.

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0引言在能源危机日益加重的今天,光伏并网发电以其清洁、方便、价格低廉等优点成为新能源开发利用的一个重要分支.目前广泛研究的单级式拓扑结构含有变压器,电压波动大,控制方法复杂,不易实现.基于此,笔者针对两级式拓扑结构进行建模与仿真,将最大功率跟踪与并网控制分别考虑,前级用直流变换器代替变压器对电压进行调整,并完成最大功率跟踪;后级用逆变器完成对电流的逆变,进而并网.1系统总体方案设计太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池板、DC/DC变换电路、MPPT控制及DC/AC逆变控制器等组成.太阳能电池是由若干个PN结构成的,利用半导体材料的电子特性实现光电转化,太阳能电池板由多个相同规格的电池单体经过串并联组合起来.DC/DC变换器调节光伏电池输出电压,实现光伏电池的最大功率点跟踪.DC/AC逆变器控制器可以把太阳能电池板发出的直流电逆变成与电网电压同频同相的交流电,然后并入电网.系统主电路拓扑结构如图1所示.2光伏电池的建模光伏电池输出特性具有强烈的非线性,当光伏电池结温不变、日照强度变化时,光伏电池短路电流与光强成正比,而开路电压随光强变化不大;当光伏电池日照强度不变、结温变化时,对光伏电池的短路电流影响不大,随着温度的上升输出短路电流只是略有增加,但光伏电池的开路电压随电池结温的上升而下降,且变化范围较大[1].在MAT-LAB/Simulink环境中可以搭建光伏电池的工程用仿真模型,如图2所示,其中S为光照强度,T为环境温度,仿真时可用“SignalBuilder”模块模拟S及T的变化.图1并网系统主电路拓扑结构3基于Boost电路的MPPT建模仿真3.1Boost电路建模Boost变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下,只要输入电感足够大,则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流,因此只需加入容量较小的无感电容甚至不加电容,避免了加电容带来的种种弊端[2].同时Boost电路也非常简单,由于功率开关管一端接地,其驱动电路设计更为方便.适当调节Boost电路的占空比,即可使其输出电压达到逆变器所需的输入要求.图2光伏电池仿真模型在Simulink中建立Boost电路的仿真模型,如图3所示,其中开关管采用IGBT管,脉冲发生器周期为0.2ms,脉冲宽度50%,L值为0.1mH,C的值为100F.图3Boost电路仿真模型3.2MPPT建模最大功率点跟踪在DC/DC级,笔者采用了较为典型的扰动观测法(P&O,PerturbationandObser-vationMethod),其原理是周期性的扰动太阳能电池工作电压值,再比较其扰动前后的功率变化,若输出功率增加,则表示扰动方向正确,可朝同一方向(+V)扰动;若输出功率减小,则往相反方向(-V)扰动.通过不断扰动使阵列输出功率达到最大,然而,即使跟踪已达最大功率点附近,扰动仍不停止,系统工作在动态平衡状态[3].其算法程序流程图如图4所示.在Simulink中建立扰动控制法的仿真模型,如图5所示,其中U、I为光伏电池的输出电压和电流.3.3基于Boost电路的仿真根据以上原理,在Simulink环境中建立扰动控制MPPT的仿真模型,其中PVArray、MPPT及PWM分别为光伏电池、扰动控制法及PWM的封装模型[4].其模型及仿真波形如图6、图7所示.图4扰动观测法程序流程由图7可看出,当光照强度和电池温度变化时,扰动观察法能实现光伏电池的最大功率点跟踪,但是,当跟踪效果达到稳定状态的140W时,光伏组件的工作点总是在最大功率点附近抖动.图5扰动控制法模型图6基于Boost电路的MPPT仿真模型图7MPP

参考文献

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