崔強(qiáng)

中國石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安，716000

0 引言

在全球經(jīng)濟(jì)和社會高速發(fā)展的驅(qū)動下，傳統(tǒng)的不可再生能源如煤炭、石油等即將消耗殆盡，同時常規(guī)化石能源大量使用造成了世界范圍內(nèi)的環(huán)境污染和生態(tài)惡化，對人類賴以生存的陸地生活構(gòu)成了威脅[1]。我國的能源形勢不容樂觀，開發(fā)使用新能源已成當(dāng)務(wù)之急。我國國土面積遼闊，地處北半球，地形地貌豐富復(fù)雜，擁有充足的光能資源。因此，光伏發(fā)電對于我國來說前景十分可觀并且十分可取[2]。對新能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會價值。

在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器是核心部件和關(guān)鍵技術(shù)[3]，其主要功能是將光伏發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過整流、升壓、逆變轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢圆⒕W(wǎng)的交流電，逆變器實現(xiàn)的目的從前端到后端主要包括整流、電壓逆變、諧波消除、電網(wǎng)跟蹤、防孤島效應(yīng)等，其中逆變器工作狀態(tài)由于直接決定了光伏發(fā)電的輸出效率，且關(guān)系到整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故而系統(tǒng)性地研究光伏發(fā)電逆變器狀態(tài)監(jiān)測與故障自診斷研究具有十分重要的意義[4-6]。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

1.1 光伏電池特性

光伏電池采用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，其伏安特性可以簡單表示為圖1（a），最佳工作點對應(yīng)電池的最大輸出Pmax。圖1（b）給出了光伏系統(tǒng)的等效電路示意圖，圖1（b）中Iph為光生電流源電流，該值與光強(qiáng)、溫度及光伏電池面積有關(guān)；Rsh、Rs分別是電池內(nèi)部等效的并聯(lián)、串聯(lián)電阻；I0為二極管反向飽和電流；q為電子的電荷量，1.6×10-19C；U、I分別為電池的輸出電壓和電流；n為二極管理想因子，1＜n＜2；k為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；T為電池的工作溫度。

由圖1可計算得光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流方程為：

由上述等效電路模型和電池特性方程可以得到光伏電池在不同光強(qiáng)和溫度條件下的I-V、P-V曲線如圖2所示。由圖2（a）和（b）可以看出，當(dāng)保持T不變，改變S為1000/800/600和300，光伏電池的短路電流隨光強(qiáng)呈正比增加，而開路電壓對光強(qiáng)的敏感性較低，電池的輸出功率P與光強(qiáng)S成正比關(guān)系，S對P的影響明顯，尤其是功率峰值點處[7-11]。通過對比圖2（c）及（d）可知，電池開路電壓隨著溫度升高而降低，短路電流變化不大，總體上溫度升高會造成電池的輸出功率降低。綜上可知，溫度T對輸出電壓的影響很大，光強(qiáng)S對輸出電流的影響很大，隨著T和S的變化光伏電池的I-V、P-V曲線均具有非線性關(guān)系變化，且存在唯一的最大功率輸出點，故在外界光強(qiáng)和溫度不斷變化的情況下應(yīng)不斷追蹤電池最大功率點以保證最大功率輸出。

1.2 光伏電池仿真模型

運(yùn)用Matlab/Simulink軟件對光伏電池進(jìn)行模擬，圖3中給出了該系統(tǒng)的模型示意圖。本文搭建的模型具體包含電源模塊、MPPT控制器、BOOST電路和PWM波產(chǎn)生器等。模型中采用受控電流源反并聯(lián)二極管和電阻的結(jié)構(gòu)來模擬光伏電池內(nèi)部的光生電源和反向電流，從電池特性方程可知電池使用仿真模型受開路電壓和短路電流等4個基本參數(shù)影響，采用封裝模塊如圖3中PV所示對電池進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。

由文獻(xiàn)[ 12]中可知，占空比對BOOST輸入阻抗有影響。利用BOOST電路實現(xiàn)MPPT是源于改變BOOST電路輸入阻抗與電池輸出阻抗匹配可以獲得最大輸出功率。然后當(dāng)MPPT控制器收到電池的輸出電壓和電流后進(jìn)行計算，通過PWM產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，從而控制開關(guān)元件的開斷。其中采用BOOST變換器來實現(xiàn)MPPT策略，開關(guān)元件選擇IGBT。IGBT導(dǎo)通時，等效電源向電感充電，同時電容給電阻供電；當(dāng)IGBT斷開時，等效電源和電感共同給電容充電，同時給電阻提供能量。

光伏電池的輸出特性主要受光強(qiáng)（S）和溫度（T）控制，模型中設(shè)定初始溫度T0=25℃，初始光強(qiáng)為1000W/m2。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為：電池開路電壓Uoc=22V，電池短路電流Isc=8.58A，最大功率點輸出電壓Um=17.7V，最大功率點輸出電流Im=7.94A，最大輸出功率為Pm=140.5W。

2 MPPT算法實現(xiàn)光伏發(fā)電狀態(tài)監(jiān)測

擾動觀察法是目前常用的MPPT實現(xiàn)方法之一[13]，其具有檢測參數(shù)少、原理簡單和實際硬件結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。圖4給出了擾動觀察法原理圖，以一定的步長對電池的輸出電壓反復(fù)進(jìn)行擾動，通過觀察功率點的變化情況來判斷當(dāng)前工作點位于最大功率點的位置，逐步調(diào)整擾動方向直到工作點到達(dá)功率最大點附近，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制。擾動觀察法有兩種：電壓型擾動觀察法和電流型擾動觀察法，本文采用電壓型擾動觀察法，其能夠承受較大的光強(qiáng)變化，但劇烈的溫度變化會使系統(tǒng)崩潰[14-15]。

在擾動過程中如果步長太大，可以減少趨近最大功率點的時間，但是在到達(dá)最大功率點附近會產(chǎn)生較大的振蕩，從而使得精度有所下降；反之如果采取小步長則會在達(dá)到較高精度的前提下花費(fèi)更多的搜索時間?；诖耍疚牟扇∽儾介L擾動觀測法，圖5為本文的電壓型擾動觀察法的算法流程。借助電導(dǎo)增量法的思想，在基本擾動觀測法中加入對斜率的判斷，采用兩級變速的方式實現(xiàn)MPPT。第一級步長選取較大，快速到達(dá)最大功率點附近區(qū)域，獲得較快的搜索時間；然后采用較小的第二級步長來獲得高精度的要求。

3 仿真分析

在模型初始狀態(tài)下：T0=25℃，S0為1000W/m2，通過擾動觀察法進(jìn)行分析，獲得的結(jié)果如圖6所示。

圖6給出了MPPT下的靜態(tài)光伏系統(tǒng)輸出電流、電壓以及最大輸出功率，從圖中可以看出系統(tǒng)在0.05s時快速達(dá)到了穩(wěn)定，輸出電流、電壓以及最大輸出功率均達(dá)到要求，與理論值一致，證明該系統(tǒng)的靜態(tài)性能較好。

當(dāng)保持外界光強(qiáng)不變時，設(shè)定初始溫度為50℃，在t=0.2s時降低溫度至25℃并于t=0.4s時降低溫度至15℃，得到電池的輸出電壓、電流及最大輸出功率如圖7（a）所示。由圖7（a）中可以得出，當(dāng)外界溫度降低時，電池輸出電流持續(xù)減小而輸出電壓增大，最終的輸出功率呈增加趨勢。當(dāng)保持外界溫度不變時，設(shè)定初始光強(qiáng)為1000 W/m2，在t=0.2s時光強(qiáng)降低至600，于t=0.4s時上升至800W/m2，其輸出電壓、電流及最大輸出功率如圖7（b）所示。從圖7（b）中可以看出，當(dāng)光強(qiáng)由1000W/m2降低時，輸出電流變化明顯，隨著光強(qiáng)的降低也急劇下降，輸出電壓變化不明顯，最終輸出功率與電流呈現(xiàn)相同的趨勢。另外從圖7中可以看出，光強(qiáng)變化時輸出電流的變化較溫度變化時更加明顯，即輸出電流對光強(qiáng)具有更大的敏感性，而對溫度變化不敏感；輸出電壓在溫度和光強(qiáng)的影響下均變化不大。

4 結(jié)語

本文首先進(jìn)行了光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬，研究了不同外界環(huán)境下的光伏電池輸出功率。其次，運(yùn)用BOOST電路和PWM模塊實現(xiàn)MPPT策略，提出了一種兩級變步長擾動觀察法，減小了擾動觀察法在靠近最大功率點時震蕩并保證了快速性。并通過仿真進(jìn)行了驗證，得到以下結(jié)論：

（1）光伏電池隨著溫度T和光強(qiáng)S的變化I-V、P-V曲線均具有非線性關(guān)系變化，溫度T對輸出電壓的影響很大，光強(qiáng)S對輸出電流的影響很大，存在唯一的最大功率輸出點。

（2）改進(jìn)后的兩級型擾動觀測法較基本方法能夠在保證快速性的前提下增加精度，獲得更好的輸出特性。在外界條件動態(tài)變化時，其最大功率跟蹤特性好。

（3）仿真結(jié)果表明電壓型擾動觀測法下，電池輸出電流對光強(qiáng)具有更大的敏感性，輸出電壓則影響均不大。