一种光伏系统控制策略仿真分析

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(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术不断提升，光伏发电成本也逐步下降，光伏容量将大幅增加。根据不同的分类方法，光伏发电系统可以分为以下几类：按照所接入的电压等级，可分为中低压(小于1 000 V)和高压(大于1 000 V)发电系统；按照功率等级，可分为中小功率(一般小于20 kW)和大功率(大于50 kW)发电系统；按照功率传递级别，可分为单级式(一般应用于大功率系统)和两级式(一般应用于中小功率系统)光伏发电系统；按照是否含有隔离变压器，可分为隔离型和非隔离型光伏发电系统。

目前，现有研究主要集中在逆变器的电路结构[1-2]、逆变器的控制技术[3]、并网孤岛检测[4-5]及孤岛时逆变器控制方式的转换[6]等方面。

1 系统结构

下面主要研究两级式非隔离型光伏独立发电系统[7],如图1所示主要由光伏阵列、BOOST升压斩波器、电压源型单相逆变器和输出滤波器组成，具有电路结构简单、成熟，前后级独立控制且易于模块化实现等特点，适用于中小功率的分布式发电系统中。

图1 光伏系统基本结构框图

光伏独立逆变系统可以简化为图2，假设功率开关管是理想器件，高频变压器是理想变压器，整流器也假设为理想的，那么DC/DC模块可以简化为一个被升压的直流电源Ud,即Ud=N·VDC。N为高频变压器的匝数比;VDC为光伏电池MPPT输出电压。

图2 简化光伏独立逆变系统

其中，ul为逆变器输出电压；r为考虑滤波电感L的等效串联电阻、开关管压降、线路电阻等各种阻尼因素的综合等效电阻；u0为逆变电源输出电压；il为滤波电感L的电流；i0为负载电流，可以把它看作是系统的一个外部扰动输入量，这样处理的好处是既符合逆变电源负载多样性的要求，又可以建立一个形式简单又不依赖具体负载类型的逆变电源数学模型。

选择滤波电容c两端电压u0和流过滤波电感的电流作为状态变量，可得到等效简单电路模型[8,9]系统的状态空间表达式如式(1)。

(1)

则系统开环时，单相逆变器的线性化等效模型如图3所示。

图3 单相逆变器线性化等效模型

由逆变器的等效模型知，逆变器系统是一个多输入单输出系统，系统要保持输出电压U0(s)对调制信号Ur(s)的快速准确跟踪，就必须对外部负载的扰动i0(s)具有抑制能力，无论系统带任何负载，系统的输出电压波形都不会发生畸变，达到完全跟随系统的给定信号[10，11]。

2 控制策略

前级DC/DC环节采用文献[12]中MPPT输出电压，逆变器通常采用双环控制，逆变器的双环控制分两类[13]：一类是以滤波电容电流为内环被控量的电容电流内环电压外环控制，一类是以滤波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环控制。在以滤波电感电流为内环被控量的双环控制方式下，负载电流i0作为逆变器的外部扰动信号，处在电感电流内环环路之外，因此电感电流内环控制对负载扰动的抑制作用较差，输出电压波形不是很理想。

在双闭环的基础之上增加一个直流侧电压外环控制，该控制策略使电路在直流母线电容电压上升时，能自动调节输入功率以匹配输出功率，保证系统额定功率输出，避免系统因直流母线过电压故障导致的系统功率丢失，以提高光伏系统工作的可靠性。

控制策略控制框图如图4所示。

图4 加直流外环控制控制策略框图

由于低压微网主要呈阻性，负载功率主要由其两端电压幅值决定。该控制策略下，当光伏输出功率与负载消耗功率不相匹配时，直流母线电压UDC就会出现波动，其与给定信号UDC*的瞬时误差经过电压PI调节器后直接将这种变化信息传递给交流侧电压控制环节，从而达到提高负载功率与光伏输出功率变化匹配性能。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink中进行建模仿真，仿真模型如图5所示。

图5 单相光伏系统仿真模型

光伏模块直接引用文献[14]中模块，仿真中参数设置如下，T=25,S=2 000,即光照强度增强至2 000 W/m2，直流电压外环的PI参数取Kp=0.41，Ki=0.1，逆变器电压外环PI参数取Kp=10，Ki=2 000，电流内环取Kp=0.5，经DC/DC变换后的空载的输出电压波形如图6所示。

图6 直流侧控制电压输出波形

图7 带负载后直流侧输出波形

该光伏系统接一个单相逆变器，所带负载为一个33 Ω的电阻与一个10 mH的电感串联构成，待仿真运行到0.5 s时再并入一个相同的负载，仿真运行时间一共1 s。带负载运行后直流侧输出电压波形如图7所示。可以看出并入一个负载以后直流侧电压略有波动，但很快恢复平衡，且始终停在给定电压附近。输出的电压电流波形如图8所示。对输出电压进行FFT分析，分析结果如图9所示。

图8 输出电压电流波形

从仿真结果可以看到，当系统进入稳定运行以后，电压波动基本不大，在增加负载时，经过短时间调整，也很快恢复稳定运行，其电压总谐波畸变率(THD)含量也相当低，低于2%。同时，而负载在0.5 s增加时，负载电流增大，直流侧电压略微下降，从而导致网侧电压幅值略微下降，从而在光伏功率一定的情况下，一定范围内调节输入功率与输出功率的功率匹配问题。

图9 输出电压FFT分析

4 结 语

建立了以太阳能电池为基础的单相光伏发电系统的Matlab/Simulink模型，在控制策略中引入一个直流侧电压外环控制，该控制策略下，在光伏系统功率大于逆变电路功率时，自动调节直流侧流入功率仪匹配输出功率。从仿真波形中可以看到这种控制能有效地使直流母线电压稳定在预设电压值附近，同时满足系统额定功率输出，提高系统运行的可靠性。

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