黃慶豐1，楊紅培2，翟登輝3

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基于Simulink的兩級式單相光伏逆變器的系統(tǒng)仿真

黃慶豐，楊紅培，翟登輝

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000；3.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

針對單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，以兩級式單相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為核心，對其建立了數(shù)學(xué)模型，并在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了5 kW單相并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)仿真模型。采用基于擾動觀測的MPPT算法以及基于電網(wǎng)電壓前饋的雙閉環(huán)控制策略，對其特性進(jìn)行了深入研究和仿真。并用Matlab語言將MPPT算法編寫了函數(shù)，可以模擬光照變化，分別針對光照不變和光照變化兩種情形進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，其不但保證系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應(yīng)跟蹤特性，而且能實現(xiàn)了逆變輸出電流與電網(wǎng)電壓的同頻同相以及較低的逆變電流的總諧波畸變率（THD小于1%）。

光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)逆變器；Simulink；雙環(huán)控制；前饋；最大功率點(diǎn)跟蹤

0 引言

近年來，由于太陽能以其無污染、清潔的優(yōu)勢，已經(jīng)成為發(fā)展的熱點(diǎn)，光伏發(fā)電在未來能源系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的地位，隨著電力電子技術(shù)、控制理論的發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逐漸成為光伏發(fā)電研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越大，是光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢，并網(wǎng)逆變器作為與電網(wǎng)接口的電力電子裝置，按照級數(shù)可分為單級式和兩級式。兩級式光伏并網(wǎng)逆變器將DC/DC升壓環(huán)節(jié)和DC/AC逆變環(huán)節(jié)獨(dú)立開來，由DC/DC完成MPPT控制，DC/AC完成逆變控制。這樣使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加堅固且直流側(cè)PV組件配置的電壓范圍更寬。

以5 kW兩級式單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，搭建了整個逆變器的系統(tǒng)仿真模型，模型主要包括DC/DC即MPPT跟蹤模塊、基于PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制模塊。仿真結(jié)果驗證了兩級式逆變器的穩(wěn)定性以及算法的有效性。

1 兩級式逆變器主電路拓?fù)?/h2>

圖1所示的并網(wǎng)逆變器主電路采用兩級式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得逆變器的直流側(cè)MPPT跟蹤范圍較寬，而且使得MPPT和逆變獨(dú)立控制，與單級式相比，省去了隔離變壓器，使機(jī)器體積小，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛。

圖1兩級式單相并網(wǎng)逆變器的主電路拓?fù)?/p>

光伏陣列為逆變橋提供直流側(cè)電壓，直流側(cè)電容用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓，緩沖前后級的能量變化；逆變橋側(cè)的輸出電流經(jīng)LC低通濾波后直接并入電網(wǎng)。為逆變橋的輸出電壓，為濾波電感，為電網(wǎng)電壓，為輸出電流，它們之間滿足以下關(guān)系：

假定采用直接電流控制，則單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行時的矢量三角形如圖2所示。

圖2電壓矢量圖

Fig. 2 Voltage vector diagram

2 單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的總體控制方案

圖3為兩級式單相光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)框圖，其中boost升壓電路實現(xiàn)MPPT跟蹤，采用基于占空比直接擾動調(diào)節(jié)的MPPT算法；后級的DC/AC實現(xiàn)逆變，控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。

圖3 兩級式單相并網(wǎng)逆變器控制框圖

Fig. 3The overall control diagram of double-stage single-phase grid–connected system

2.1最大功率跟蹤算法

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），算法本質(zhì)是實時檢測光伏陣列的輸出功率，運(yùn)用一定的跟蹤控制算法輸出最大功率。目前針對最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究，主要有以下幾種方法：固定電壓法（CVT）、電導(dǎo)增量法、擾動觀測法、人工智能算法等。

恒壓法只是在一定環(huán)境條件下才能保證最大功率跟蹤的準(zhǔn)確性，而在環(huán)境條件變化時，控制精度太差；電導(dǎo)增量法雖然電壓波動比擾動觀測法小，但是該算法過于復(fù)雜，并且進(jìn)行AD采樣及跟蹤耗時長，給CPU控制器帶來負(fù)擔(dān)；擾動觀測法算法簡潔，程序容易實現(xiàn)，并且結(jié)構(gòu)簡單，擾動參數(shù)少，唯一不足就是有可能存在最大功率點(diǎn)的振蕩，需要尋求一種自適應(yīng)變步長方法來實現(xiàn)最小波動。

針對擾動觀測法相對比較簡單，性能好，采用占空比直接調(diào)節(jié)的擾動觀測法來實現(xiàn)MPPT。其原理是周期性地擾動光伏組件的工作電壓值，再比較其擾動前后的功率變化，根據(jù)變化情況決定占空比的改變方向，通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大，系統(tǒng)工作于動態(tài)平衡狀態(tài)。其中，占空比變化的幅度可以進(jìn)行改變，即采用變步長方法進(jìn)行跟蹤，從而彌補(bǔ)跟蹤振蕩大的不足。具體流程圖如圖4所示，變量含義見表1。

圖4MPPT流程圖

2.2雙閉環(huán)控制策略

表 1 變量含義

3 系統(tǒng)仿真模型

在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建整個5 kW光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型。其中powergui的采樣時間設(shè)置為5e-6 s，濾波電感的參數(shù)設(shè)為2 mH，開關(guān)管頻率設(shè)置為10 kHz，采用Simulink自帶的脈沖模塊。整個系統(tǒng)的仿真模型見圖5所示。

圖 5單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路仿真模型

圖5中的PV模塊是將光伏組件封裝的Subsystem子系統(tǒng)仿真模型。MPPT算法用S-Function編寫，仿真模型如圖6所示。

圖 6基于占空比擾動的MPPT算法

4 仿真結(jié)果分析

4.1 光照不變

逆變輸出電流和電網(wǎng)電壓波形如圖7所示。

圖 7電網(wǎng)電壓和逆變電流

逆變電流的THD分析如圖8所示。

圖 8逆變電流的總諧波畸變率

圖 9參考電壓與直流側(cè)電壓Vdc

圖9表明，電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)使得能實時跟蹤參考電壓，而且電壓很平穩(wěn)，上下浮動很小。

功率因數(shù)cos如圖10所示。

圖 10功率因數(shù)

由圖10可知，功率因數(shù)平均在0.99以上，可以認(rèn)為是單位功率因數(shù)的并網(wǎng)運(yùn)行。

逆變橋輸出電壓的波形如圖11所示。

圖11逆變橋輸出電壓U0

4.2光照變化

電壓外環(huán)的參考電壓*與波形如圖12所示。

圖12參考電壓與直流側(cè)電壓Vdc

在仿真時間為2 s時，模擬光照變化，將其由1000 W/m變?yōu)?00 W/m，逆變電流值有所減小，波形如圖13所示。

圖13逆變電流

圖13可以看出，隨著光照變?nèi)?，電流也跟著變小，進(jìn)一步表明了系統(tǒng)不但穩(wěn)定而且動態(tài)響應(yīng)快。

5 結(jié)論

通過建立一個兩級式的5 kW單相光伏并網(wǎng)逆變器的仿真模型，兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制算法將MPPT控制和逆變獨(dú)立開來，驗證了基于占空比直接調(diào)節(jié)的MPPT的有效性和準(zhǔn)確性，避免了PI調(diào)節(jié)器的間接調(diào)節(jié)，大大簡化了系統(tǒng)的控制；驗證了后級采用電壓電流雙閉環(huán)的逆變控制的可靠性，并實現(xiàn)了逆變電流與電網(wǎng)電壓的單位功率因數(shù)并網(wǎng)，仿真最后驗證了系統(tǒng)在光照變化下的動態(tài)響應(yīng)特性。

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System simulation of double-stage single-phase photovoltaic inverter based on Simulink

HUANG Qing-feng, YANG Hong-pei, ZHAI Deng-hui

(1. Fujian College of Water Conservancy and Electric Power, Yongan 366000, China; 2.Xuchang Electrical Professional College, Xuchang 461000, China; 3. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

For single-phase photovoltaic grid system, taking the circuit topology of double-stage single-phase grid inverter as a core, this paper establishes the mathematical model, and builds the simulation model of 5 kW single-phase grid inverter system in Matlab/Simulink environment. MPPT algorithm based on the observation of the disturbance voltage and double loop control strategy based on feedforward are adopted, whose properties are studied and simulated. With Matlab language, MPPT algorithm is programmed as a function which can simulate the illumination change, and the simulation analysis of illumination invariant and illumination change is respectively carried out. The simulation results show that it not only makes system have better stability and fast dynamic response characteristics, but also realizes the target that the output voltage has the same frequency and phase with inverted current and lower total harmonic distortion rate (THD less than 1%).

photovoltaic system; grid-connected inverter; Simulink; dual-loop control; feed-forward; maximum power point tracking

TM464

A

1674-3415(2014)19-0058-04

2014-05-20；

2014-06-24

黃慶豐(1962- )，男，碩士，副教授，從事電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)教學(xué)及研究；E-mail: 33745171@qq.com

楊紅培(1978-),女，本科，講師，主要研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信。