基于Matlab_Simulink的两级式光伏并网系统仿真分析

可再生能源

Renewable Energy Resources

第28卷第1期2010年2月

Vol.28No.1Feb.2010

引言

随着能源危机和使用传统能源对环境的影响，以煤炭和石油为主的传统能源发电在整个电力系统中比例会逐渐减少。以风能和太阳能为主的新能源将会在今后有长足的发展。太阳能以其

清洁，无污染，适用地域广泛的优势，将成为21世纪最重要的能源之一，光伏发电在未来的发电系统中也将占据越来越重要的地位[1]，[2]。

光伏发电系统分为并网系统和运行系统。由于成本因素，并网系统被广泛地应用在分

收稿日期：2009-06-17。

作者简介：张峥（1982-），男，汉族，硕士研究生，从事新能源发电研究和电力系统仿真。E-mail ：arrowzheng@163.com

基于Matlab /Simulink 的两级式

光伏并网系统仿真分析

张

峥，南海鹏，余向阳，窦亚菲

（西安理工大学，陕西西安

710048）

摘

要：研究一种单相光伏并网发电控制仿真系统。利用Matlab2008b/Simulink ，采用boost 电路和逆变电路两

级式结构，其中采用电导增量法的最大功率跟踪功能在boost 电路中实现，并网控制通过采集电网电压参数和逆变输出电流电压参数在逆变电路中通过PI 调节实现。通过光伏阵列通用模型验证最大功率跟踪模块的正确性，通过并网实验验证并网跟踪性能。基本实现了光伏阵列最大功率点的快速、准确跟踪功能和逆变输出电流电压与电网电压的同频同相，保证了输出电流为正弦波形且纹波较少，能够快速跟踪电网电压的变化。证明此系统在实际中是可行的。

关键词：光伏并网系统；最大功率点跟踪；逆变器中图分类号：TM615；TM727

文献标志码：B

文章编号：1671-5292（2010）01-0081-04

Two-stage grid-connected photovoltaic system

simulation based on Matlab/Simulink

ZHANG Zheng ，NAN Hai-peng ，YU Xiang-yang ，DOU Ya-fei

（Xi ’an University of Technology ，Xi ’an 710048，China ）

Abstract ：This paper proposes a simulation system for single-phase grid-connected PV power generation control,which includes two stages,the boost circuit and inverter circuit.The function of maximum power point tracking is achieved in the boost circuit which use Conductance Increment Method,the grid-connected control is based on the acquisition of the grid voltage parameters,and the inverter output current and voltage parameters is achieved in the inverse circuit by using PI control.The general model of photovoltaic arrays is used to verify maximum power tracking mod -ule.The grid -connected experiment is used to verify the grid -connected tracking performance.With the help of the proposed system,the photovoltaic array maximum power point tracking is fast and accurate,the frequency and phase of the inverter output current and voltage could be the same with those of the grid,meanwhile,the output current is in sinusoidal and with less ripples,the change of the grid voltage could be tracked rapidly.This simulation proved the system is feasible in practice.

Key words ：photovoltaic grid-connected system ；MPPT ；inverter

·82·

可再生能源

2010，28（1）

图1光伏并网系统主电路

Fig.1Main circuit of photovoltaic grid-connected system

PV

L1

C1

T5

D5

VT1C2VT2

D2VT4

D4

VT3D1

D3

L2

C3

L3R

GRID

布式发电和集中式光伏电站中，是当前光伏发电的主要研究方向。在光伏发电系统中，虽然光伏电池本身的效率比较低，但产品的技术已经成熟，所以光伏发电系统的性能在很大程度上决定于逆变系统的性能。现在逆变系统的主要拓扑结构分为单级式逆变系统和两级式逆变系统。单级式系统效率高，但其最大功率跟踪和逆变并网控制在同一控制回路内完成，控制较为复杂，在目前实际应用的光伏并网系统中，采用这种拓扑结构的并不多见。虽然两级式系统的效率比单级式低一些，但其最大功率跟踪可以在DC/DC 回路完成，而逆变并网控制在后一级

DC/AC 回路完成，两种控制分开进行，所以控制

相对简单，是多数产品采用的一种拓扑结构。本文将研究此种结构。

1主电路拓扑

本文采用两级式全桥逆变，主电路拓扑结构

如图1所示。其中，L1，T5，D5组成前一级boost 电路，后一级为4个IGBT 构成的单相全桥逆变电路，经过L2，L3，C3组成的LCL 滤波器滤波后并网。滤波器的设计采用LCL 滤波器，是因为

LCL 滤波器对谐波具有更好的衰减特性[3]。其中，C1为直流母线电容，C2为实现两级结构的功率

解耦。

由于光伏阵列的输出电压比较小，而并网电压至少是220V ，为满足逆变器输入电压的需要，要增加前一级boost 电路，将光伏阵列输出电压升高到逆变并网所需要的水平。后一级逆变则是为了输出正弦工频交流电，通过控制回路调节输出电压电流的相角和幅值，从而实现并网。

由于光伏阵列的输出特性是一个非线性曲线，所以光伏逆变系统需要实现最大功率点跟踪（MPPT ），以使光伏阵列输出功率随外界环境的不断变化，时刻保持其输出功率运行在最大功率点附近。此拓扑结构的MPPT 可以通过不断调节

T5的占空比来实现，而对并网电压电流的幅值

和相位跟踪控制完全在后一级逆变环节来实现。这样可以将MPPT 和并网控制分开，其控制相对容易。

2电导增量法的MPPT

由于光伏阵列输出特性的非线性，在某一恒

定温度和恒定光照条件下，其输出功率存在一个最大功率点，此时，其输出功率最大。随着温度和光照的变化，其最大功率点也不断地变化。本文采用光伏阵列通用仿真模型对光伏阵列输出特性进行仿真，在原有模型中将电压取变量，则其输出功率特性曲线随着电压的变化而变化[4]。

电流输出特性为

I =I SC （1-C 1（e （V -DV ）/（C 2V OC ）-1）+DI

（1）

其中：I SC 为短路电流；V OC 为开路电压；I m ，V m 为最大功率点的电流和电压。

C 1=（1-I m /I SC ）e -V m

/（C 2V

OC

）

（2）C 2=（V m /V OC -1）/ln （1-I m /I SC ）（3）DI =αR /R ref DT +（R /R ref -1）I SC

（4）DV =-βDT -R s DI

（5）DT =T c -T ref

（6）

式中：R ref ，T ref 为太阳辐射和光伏电池温度参考值；

α，β为参考日照下，电流和电压变化温度系数；R s

为光伏模块的串联电阻。

目前的MPPT 方法主要有定电压跟踪（CVT ）、扰动观察法（P&Q ）和电导增量法。其中，电导增量法在跟踪最大功率时的速度快，精度高，也是本文所采用的方法。

电导增量法通过比较光伏阵列的瞬时导抗与导抗变化量来完成最大功率点跟踪功能[5]。由于最大功率点P max 处斜率为零，因此有：

P =UI （7）d P d U =I +U d I

d U =0（8）d I d U =-I

U

（9）

电导增量法的跟踪流程如图2所示。若电压变化量为零，电流变化量大于零，减小给定电压的幅值，反之则增大。若电压变化量不为零，则判断输出电导的变化量是否等于输出电导的负值。若电导变化量大于负电导值，则减小给定电压的幅值，反之则增大幅值。适当地设置跟踪步长，可以快速地跟踪温度和光照的变化。

·83·

张峥，等基于Matlab/Simulink 的两级式光伏并网系统仿真分析

图3在光照突变情况下输出功率的比较

Fig.3Comparison on output power under the condition of

sudden change of illumination

5001000150020002500300035004000450050000

100

200

300

400

500

时间T /ms

功率P /W

图4逆变器并网控制图

Fig.4Control chart of grid-connected inverter

C2

VT1VT2

D2

VT4

D4

VT3

D1

D3

L2

C3

L3R

GRID

参考正弦

U net U 0

+-+

-I ref I 0

PI

PWM 输出

三角波输出电流输出电压

图2电导增量法流程图

Fig.2Flow chat of Conductance Increment Method

开始光伏阵列输出电压Un ，电流In

dU=0

dI/dU=-I/U

dI ＞0

dI=0dI/dU ＞-I/U

U r =U r -△U U r =U r +△U

U r =U r -△U

U r =U r +△U

U r =U n ，I b =I n

结束

本文根据光伏阵列通用仿真模型，验证了电导增量法的跟踪性能，通过仿真试验了在光照不断变化和温度不断变化时最大功率点的跟踪变化，其结果是满意的。但是，在外部环境突变的情况下，增量设置过小，则跟踪速度稍慢；增量设置过大，则波形震荡较大。增量设置的大小会影响其跟踪速度。图3是本文根据仿真模型验证

MPPT 算法的功率跟踪图形。由图可见，应用了MPPT 算法后，在光照发生突变的情况下系统仍

然比其他几种没有应用MPPT 算法的输出功率要大，而且拥有了MPPT 算法的系统可以不考虑初始电压都可以使系统保持在最大功率点附近。初始电压只不过影响了系统寻找最大功率点的速度而已。

若在两级仿真的实际系统中实现MPPT 功能，只要把上述算法中的变化量由电压改变为boost 电路中开关管的占空比，由占空比的变化实现电压的变化，从而实现最大功率点的跟踪。

3

逆变及其控制

逆变器的核心任务是实现对电网的跟踪控

制，以逆变电路输出稳定、高品质的正弦波的交流电为控制目标，且与电网电压同频、同相。一般采

用电压环和电流环双闭环控制方式，内环为电流环，外环为电压环。电流环由与电网电流同步的参考正弦信号和逆变器输出电流I 0比较调节校正

后输出；电压环由与电网电压同步的参考正弦信号和逆变器输出电压U 0比较调节校正后输出。电流内环比较后的信号经过PI 调节后与三角波调制得到PWM 控制脉冲，从而控制逆变器的输出。在仿真中，用电网电压信号调节后得到参考正弦信号，参考正弦信号的幅值和相位随电网电压的幅值和相位变化而变化。因此在电网电压和相位变化的时候，逆变器输出电压可以迅速有效地跟踪电网电压（图4）。

4仿真及其结果

由以上的方案建立了基于Matlab2008b/

simulink 的两级光伏并网发电系统的仿真模型

（图5），其中，直流电源DC=48V ，升压后直流母线电压为400V 左右，逆变后与220V/50Hz 交流

电网并网。最大功率跟踪在boost 电路中实现，逆变并网控制在逆变回路完成，以期逆变电流电压能够达到与电网电压同频、同相。输出结果如图6所示。

·84·

图6逆变电流、电网电压与逆变电压的输出波形比较

Fig.6Comparison on inverter current,grid voltage and inverter output voltage waveform

00.020.040.060.080.10

0.120.140.160.180.20

时间t /s

-400-300-200-1000100200

300400电压U /V

0.02

0.040.060.080.10

0.12

0.140.16

0.180.20

时间t /s

-400

-300-200-1000100

200

300400逆变电压

逆变电压

逆变电流电网电压电压U /V

图5光伏并网系统仿真图

Fig.5Simulation chart of photovoltaic grid-connected system

输出电流电网电压

输出电压

控制回路

V3

DC

Ld I1IGBT

Cc

Cc1

Dc node10

Out1In1mppt

Uin Iin Ont1Unti Delay1

V2

Scope2

Scope5

Pulse out

Scope

V1

AC 220V

L1

R1

L2

I

C

R

V

由图6可以看到，并网电压和逆变器输出电压都达到了峰值电压311V 、频率50Hz 的要求，并且逆变器输出的电压、电流，基本上可以实现与电网电压幅值和相位的跟踪，其相位基本一致，保持了功率因数基本为1。输出波形保持了很好的正弦度，纹波含量较少，可达到并网的要求。

5结论

本文建立了一个两级式光伏并网系统的仿真

模型，并基于电导增量法实现了最大功率点跟踪功能，可以准确快速地跟踪光伏模块的最大功率点。在电网电压频率、相位和幅值改变的情况下，能够及时准确地跟踪电网电压特性，波形正常，纹波较少，能够地达到并网要求。然而，虽然该仿真模型可以通过光伏阵列通用模型进行MPPT 算法的验证，但是由于无法对光伏阵列的输出特性进行准确的模拟，整个系统仍然不能精确地进行光照和温度变化情况下的逆变输出实验，尚需进一步改进。

参考文献：

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[3]

刘飞，段善旭，殷进军，等.单级式光伏发电系统MPPT 的实现与稳定性研究[J].电力电子技术，2008，42（3）：28-30.[4]茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT 功能的光伏阵列Matlab 通用仿真模型[J].系统仿真学报，2005，17（5）：1248-1251.

[5]叶满园，官二勇，岗.以电导增量法实现MPPT 的单级光伏并网逆变器[J].电力电子技术，2006，40（2）：30-32.

可再生能源

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