设计与研究
基于
MATLAB的光伏并网设计
王林1
司海飞2王正1
Design of grid connected photovoltaic system based on MATLAB
(1.南京林业大学机电工程学院，江苏南京210037;
2.金陵科技学院智能科学与控制工程学院，江苏南京211100)
摘
要:太阳能作为一种高效无污染且可持续发展的新能源，受到了广泛青睐。在人类生产生活中广泛应用太阳能光
伏发电,能有效的缓解石化燃料逐渐短缺而引发的能源供应紧张。同时，光伏建筑本身作为文化和信息的承载者和传递者, 可更好地向大众传播环保理念。本篇文章对光伏发电系统中的基本问题进行了探索，对光伏并网的布局与原理、逆变器的 选择方式等进行了理论上的介绍。为此建造了基于MATLAB的仿真系统，提出了一些相应的控制策略。
关键词:太阳能;光伏并网;逆变器;MPPT控制器;MATLAB中图分类号:TP391 TK51文献标识码:A
文章编号= 1005-1937(2017)01-021-04
Abstract: Solar energy, as a new energy with high efficiency, non pollution and sustainable development, has been widely fa-
vored. Solar photovoltaic power generation is widely used in the production and life of human beings, which can effectively alleviate the shortage of fossil fuels. At the same time, the building itself as a cultural and information carrier and delivery, can better spread the concept of environmental protection to the public. In this paper, the basic problems of photovoltaic power generation system are explored, and the layout and principle of photovoltaic grid connected system, the selection of inverter are introduced in theory. To this end, a simulation system based on MATLAB is constructed, and some corresponding control strategies are proposed.
Key words:Solar energy; photovoltaic grid connected; inverter; MPPT controller; MATLAB
能源是现代社会存在与发展的基础。当今世 界上能源的使用大部分来自于石油、煤炭与天然气 等化石能源，其被使用的速度也在快速增长，但化 石能源的总量是固定有限的。此外，化石能源的不 断使用会对环境带来污染，并产生温室效应，同时 在一定程度上对社会的经济发展产生制约。因此， 寻求新的、可再生的能源是关乎我国经济长期发展 的一项重要任务。开发并利用好太阳能,x才保护人 类环境、节约社会能源以及促进经济发展具有很重 要的意义。随着国家倡导的节约能源与可持续发 展的理念不断深化，太阳能光伏系统在公园景观、 小区、环保、科普园地等领域开发应用已成为必然。
太阳能就是太阳内部连续不断的核聚变反应 过程中产生的能量，据测算,太阳每秒照于地球上 的能量相当于500万吨煤。可以说太阳能就是人 类“用之不竭”的可再生资源。
我国太阳能资源十分丰富，年日照时数2200
小时以上的地区占国土面积三分之二以上,全国太 阳辐射理论储量每年达7000亿吨标准煤[1]。
近年来，国内外基本上都将光伏发电与建筑相 结合，极大地带动了光伏发电系统的发展。光伏并 网系统是不需要蓄电池能源的,它既节省成本，又 不受蓄电池荷电状态的影响,能充分利用光伏并网 系统所产生的电能。因此，在空旷的房屋与外墙上 可安装光伏阵列，从而解决了城市里土地贵的难 题[2]0
如今各国在太阳能发电上有80%采用并网发 电,且其基本上都在城市。太阳能的开发与应用是 世界上利用光伏发电的热点，一些发达国家都将其 作为重点发电方式加以研究，其中的BIPV技术是 其进行产品研发和市场开拓的关键技术。
1系统组成和设计原理(见图1)
光伏电网连接发电系统主要包括:光伏阵列、
作者简介:王林(1994一),男，硕士研究生，研究方向:控制工程设备及系统的设计、开发、生产与制造。
通讯作者:王正(1963—),男，博士，高级工程师，硕士生导师，研究方向:控制工程、木材科学与技术。
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设计与研究 Design and Research
太阳能电池
图1系统总体_
系统控制器、并网转换器以及继电保护装置。光伏 阵列是由串联和并联的多个太阳能电池板构成，它 可实现光能转换成电能的功能，这是光伏发电系统 最重要的一部分。系统控制器则能保证电网连接
逆变器时具有相同的频率和电网相的输出电流，且 可实现光伏阵列的最大功率点跟踪，通过DSP等一 些微处理器以达成所期望效果。逆变器将并网光 伏阵列输出直流电转化为交流电传至电网中。继 电保护装置可保护系统，当光伏系统出现问题时可 将其断开，从而有效地保证了系统完整、可靠地 运行。
图2光伏并网发电系统
文中的设计采用两级结构。在图2中,前面的 是DC/DC转换器作为MPPT控制器以相同的频率 来得到最大功率点跟踪、全桥逆变器电路以及电网 电压的函数和相电流,进而使得整个电网连接装置 的功率因数为1。两个阶段通过DC总线的Delink 连接，并且控制是相互独立的。从电网连接逆变器 控制Daink电压为不变值，经由Delink电压的调整， 就可得到电力网的电流的基准值，同时电流振幅的 数值就决定了光伏电池输出功率的数值。在全桥 逆变器与电网间加人工频变压器隔离，这样整个系 统就不会向电网输出直流分量，有时候工频变压器 还起到升压的作用，这样使直流侧的输入电压具有 更宽的范围。DC/DC转换器采用了 boost转换器，
boost转换器以电感电流源的方式向负载放电，实
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现负载电压升高的目的。与升压转换器对比结构 相对简单，但也有一个高效率的、直接连接到所述 升压转换器的输入端的光伏电池，这就使得光伏电
池在最大功率跟踪点处工作。对于连接系统，升压
转换器是用于MPPT控制器的理想选择。它基本 是一个升压电路，使太阳能光伏电池的电压大于电 网侧峰值的电压，电压电平将影响PV模块系列，因 此，让升压转换器的输人电压的配置更灵活。
根据输入电源的类型，逆变器可分为电压源和 电流源两种类型。按照具体的条件来使用时选择 不同的类型。控制模式可分为四种类型:电压源控 制、电压源的电流控制、电流源的电压控制和电流 控制。电感器串联连接的电流源可作为输人源，但 由于其体积大和较差的电感响应效果，因此电压源 大多数时候被当做输入源。
逆变器与电网并网运行的输出控制可分为电 压控制和电流控制。电网可看作容量无穷大的电 压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制， 则实际上就是一个电压源与电压源并联运行的系 统，这种情况下要保证系统稳定运行，就必须采用 锁相控制技术使逆变器输出电压与电网电压相位 完全一致，并且要保证两者输出频率的一致性，但 由于锁相回路的响应较慢、逆变器输出电压值不易 精确控制、可能出现环流等问题，这种控制方法的 实现还需进一步研究。如果逆变器的输出采用电
流控制,则只需控制逆变器的输出电流跟踪电网电 压，控制逆变输出电流与电网电压同频同相，这样 系统的功率因数为1,即可达到电流源与电压源并 联运行的目的。因此，在大多数的时候都会选择电 压源输人、电流源输出的控制策略。
输出电流的控制方式选择了滞环的比较方式， 在PWM控制的系统中，在开关的频率不变的基础 下，该系统的参数变化与负载变化将会对系统的控 制产生重要的改变。当交流侧的电压出现一些改 变的时候进行比较，如果所述PWM开关的频率是 不变的，那么当前跟踪误差也出现一些变化，但是 当电压波动的交流侧出现变化的时候，若PWM的 开关的频率将具有一定的改变，此时追踪的误差基 本是不变的。滞环的控制是广泛的闭环电流追捕 的控制策略，结构相对比较简单，反应快。
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图3是滞环的比较方式PWM电流跟踪控制的 单相逆变器的结构框架图。在整个调控系统的过 程中，都会经由电压的外侧为滞环的调控元件，进 而给出了瞬间的电流基准信号i*。电压K来调整 控制的电压，与此同时将调节器的输出电流看成基 本的电流信号的数值/m，与电网上的电压同步的单 位正弦信号和/m就一起构成了并网电流的基准值 ，其与真实的电流^比较，有了滞环的调整，就有 了桥臂的两个互相运行的信号&跟
滞环调整的基本框架是把输入电流^跟真实的 输出电流^的偏差看成带滞环特点的比较器的 接人，经由输出来改变功率元器件的开关。滞环的 比较方式控制的电路优点为:动态响应好，能够进行 不断的改变;本身硬件很好调控，结构简单易懂;输 出的电压中无特定频率的谐波分量。因此，一旦磁 滞的带宽固定，其电流误差的范围会不变，但开关用 功率半导体器件的频率会改变，这将增加过滤器设 计的难度，或许会产生间接谐波干扰现象。
2基于MATLAB软件SIMULINK模块的仿
真模型
2.1太阳能光伏发电原理图
图4为太阳能光伏发电的原理图，在其从降压
到升压电路的三相逆变器电路的控制工作中使用
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了 MPPT技术。
2.2 Buck-Boost的仿真模型
图5为boost的电路拓扑图，其带有MPPT控制 的功能。其中，boostDC/DC转换器仿真模型如图6 所示;MPPT控制的模型图见图7。
图5 Simulink中带有MPPT控制的Buck-Boost电路拓扑图
截图
图6 ISimulink中Boost DC-DC变换器的仿真模型截图
图7 Simulink中带MPPT控制的模型截图
2.3逆变器仿真模型
-0
示波器2
电压测童2
止
EIF—
-JWMfRHh*—
电流测量
串联RCL支路电流测童1
串联RCL支路1
电压测量1
示波器i
I望掘
示波器
图8 Simulink中单相逆变器截图
图8是单相逆变器电路的拓扑结构，使用了一
个普通桥来代替DC/DC转换。逆变器的控制模型
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图如图9所示。
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本文虽然通过理论分析和建模仿真对光伏发电系 统的一些关键性问题进行了深人的研究，但仍然有 诸多问题亟需我们去解决。如:在最大功率点跟踪 技术方面，由于光伏发电最主要的特点是随机性， 并且受环境条件影响很大，所以最大功率点跟踪技 术将成为研究重点。在光伏发电并网技术方面，虽 然光伏并网发电受技术、投资等限制起步较晚，但 光伏发电的并网化和大型化无疑是将来的主要发 展趋势。大规模光伏电站发电作为一种先进的新 能源发电方式，当其接入电网时会产生谐波、电压 波动等多方面的负面影响，随着光伏发电量的不断 增大，许多之前可以忽略的问题变成必须要考虑的 因素。在并网逆变器及其控制方面，由于并网逆变 器是光伏发电系统中的核心和关键系统，因此合理 地设计并改进逆变器的结构和控制方法可有效地 提升系统的效率[3]。随着技术的发展，逆变器由单 机拓扑结构发展为多级拓扑结构。
目前光伏发电系统的建设发展的不错，但还是 需要进一步的技术优化。因此，增强系统的应用功 能势在必行，若将并网发电、独立控制、并网和独立 两种工作模式无缝切换、多机并联、多机群控等功 能集于一体，就可灵活组合构成各种应用系统，使 其具有更加广泛的通用性和多功能性，从而提髙系 统工作效率[4]。
离散锁相环 信号终结端 Vd_reflp«)
图9 Simulink中逆变器控制模型截图
3仿真结果及分析
经过前面的研究，通过对DC/DC变换器、MPPT 控制、Buck-Boost电路跟逆变器的仿真，X才整个的系 统进行仿真，波形图如图10所示。其中直流电压为 400V，采用电流环控制技术。从图10输出的电压电 流波形可知，其波形的质量较好，是较理想的正弦 波，频率与电网电压相同，输出电流的相位跟电网电 压保持一致，显然满足了并网的基本条件。
图10单相光伏发电系统电流与电压波形图
4结束语
光伏发电技术近几年来是全球关注的热点技
术，且光伏发电系统已在国内外大量投人了使用。
参考文献：
[1] 王万新.加快我国太阳能产业发展[J].商场现代化，2009(4) :234-234.
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(收稿日期= 2016.12.20)
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