基于SIMULINK的光伏电池最大功率跟踪控制研究

1、硕士研究生课程报告课 程 名 称 现代电力电子技术 专 业 工程 研 究 生 姓 名 学 号 任课教师姓名 入 学 年 月 2015年 5月 填写基于SIMULINK的光伏电池最大功率跟踪控制研究摘要：本文从光伏电池的非线性特性出发,通过分析光伏电池的等效电路,利用Matlab的Simulink平台建立起光伏电池的仿真模型,通过仿真实验进一步分析光伏电池在不同设定环境下的输出特性。从原理上比较了几种常用的MPPT技术,利用光伏电池的仿真模型对各种常用的MPPT技术进行仿真研究。对常用的最大功率跟踪控制算法导纳增量法、扰动观察法进行分析其工作原理及优缺点。通过Matlab的Simulink平台对

2、最大功率跟踪控制实验进行分析研究。关键词：光伏电池；MATLAB；MPPT；扰动观察法;导纳增量法0引言太阳能光伏发电产业是目前发展最迅速、前景最看好的可再生清洁能源产业之一。由欧洲委员会联合研究中心(JRC: Joint Research Centre)发表的JRC光伏现状报告(JRCPV Status Report)第十版显示:2010年光伏(PV)产业生产量增长了一倍以上,全球光伏组件的生产量高达235亿瓦。自1990年以来,光伏组件产量在20年间增长了 500倍以上,从原来的46兆瓦(MW)增至2010年的235亿瓦(GW),近5年来的增长率超过了 49%,从而使光伏发电成为目前增长最

3、快的产业之一3。国家能源局官方网站2012年2月发表的数据来看,2011年全世界的太阳能发电市场取得了历史性的突破性的成就。截至2011年,全世界太阳能发电装机容量新增2800万千瓦,相比于2010年的增长量多出丨100万千瓦,几乎等同于2009年底以前全世界太阳能累计装机容量。而在2011年底,全世界太阳能发电装机容量累计达6900万千瓦。欧盟国去年太阳能发电装机容量增加了 2100万千瓦,占全世界增长量的75%,其中,意大利新增900万千瓦,遥遥领先于其他各国,德国新增750万千瓦,列居第二。而我国则以220万千瓦位居第三,约占全世界增长量的7%,同时,美国与日本的太阳能发电市场也保持着稳

4、定的增长 4。鉴于光伏发电效率的逐步提高,规模经济和光伏市场日趋成熟的发展,还有所有电力发电成本增长的趋势, 光伏发电系统成本的逐渐降低,光伏发电必然成为电力供应的主力之一5。根据以上资料可以看出,各国都意识到了新能源的重要性, 很多国家已经在太阳能发电产业投入了相当大的人力物力,也制定了很多扶植政策,并且取得了很不错的成绩,在产业技术领域也都有了大的突破。可以预见的,未来的太阳能发电系统应用将会更加广泛,技术更加成熟,其造价也将更加合理。光伏发电产业已经有了非常不错的成绩。然而,尽管光伏发电系统技术日趋成熟,但依然存在着光伏阵列发电效率较低,系统造价成本较高,发电运行受气候环境因素影响较大等

5、缺点。而光伏电池由于其本身的特性,随着环境温度,日照强度的不同,其端电压将随之变化,输出伏安特性曲线,输出功率曲线均为非线性。最大功率点(MPP),调节光伏电池的输出功率,从而使其保持在最大状态的技术,是在光伏发电系统中提高系统整体效率的重要方法之一。1光生伏特效应光伏电池是一种能直接将光能转换为电能的能量转换光电器件。光伏电池的工作原理是当阳光照射在半导体上时产生的光生伏特效应。光生伏特效应是指太阳光照射到半导体表面时,在半导体内部产生电动势的现象。光伏电池实质上是一个大的PN结,当光照射到PN结的表面,PN结中光子冲击原子的价电子,当价电子得到的冲击能量大于该PN结的禁带宽度时,价电子将摆

6、脱共价键的束缚,在材料内部产生多对自由电子和空穴对,这些电子-空穴对由表至里迅速扩散,在PN结特有的漂移作用下形成光生电场,最后形成与光照强度有关的电动势9。2光伏电池的等效电路其中,/ph表示光生电流,其值与入射光的福照度成正比,与光伏电池的面积亦成正比;/d表示暗电流,即光伏电池在没有光照的条件下,在外电压的作用下,PN结内通过的单向电流;/l指光伏电池的输出负载电流;f/oc是光伏电池的开路电压,其值与光照对数成正比,与环境温度成反比;为串联电阻;尺h为旁路电阻。Rs、Ash都是光伏电池的固有电阻,可视为光伏电池的内阻。0为PN结反向饱和电流其中Iph随着环境温度和光照强度的变化而变化，

7、其数学表达式如下：Si为光照强度，Ki为太阳能电池短路电流的温度系数，Tr为太阳能电池的参考温度，Iscr为太阳能电池工作在1KW/m2光照强度和参考温度条件下所产生的电流值。另外，由（3.4）式可以计算出太阳能电池的输出功率PO，数学表达式如下：计算出不同环境温度和不同光照强度条件下，太阳能电池的输出电压、输出电流和输出功率的数值，在此基础上，还可以总结出，太阳能电池的输出电压、输出电流和输出功率随温度变化和光照强度变化的规律。光伏电池仿真模型的建立基于上节中对光伏电池等效电路的分析,可建立光伏电池的Simulink仿真模型。(1)太阳能电池阵列。太阳能电池阵列是太阳能光伏发电系统中的能量转

8、换器件，利用光生伏打效应可以将太阳能变成了可以利用的电能，供负载使用，或是输送到市电交流电网供其他用户使用，或是存贮于蓄电池内备用。太阳能电池阵列是由若干个太阳能电池板根据需要串联或是并联而成，也可以有串联又有并联电路。太阳能电池板的制作材料有单晶硅、多晶硅、化学染料、有机薄膜、柔性薄膜等，当前主要是以单晶硅为主，所以太阳能电池板的价格也比较昂贵。 (2)蓄电池(组)。在独立型太阳能光伏发电系统中，蓄电池起着协调和平衡系统供电量和负载耗电量的不可替代的作用。当太阳能电池阵列供电不足时，蓄电池放电供负载使用；当太阳能电池阵列没有供电时，则完全由蓄电池供电给负载使用；当太阳能电池阵列供电充足时，蓄

9、电池充电储存电能 。与其它应用领域的蓄电池相比，独立型太阳能光伏发电系统中，因为蓄电池每天每时每刻都在不停的充电和放电，而且当环境温度和光照强度发生变化时，其充电电流和放电电流也会随之产生变化，所以蓄电池的实际使用寿命要比预期寿命短得多。(3) DC/DC 变换器。该变换器是连接在太阳能电池阵列输出的直流电源和负载或者蓄电池之间，通过变换电路将不可控的直流输入电压转变为可控的直流输出电压，它被广泛的应用于开关电路、直流驱动电路和光伏发电系统中。根据其工作方式的不同可分为：升压式 DC/DC 转换电路、降压式 DC/DC 转换电路、升降压式 DC/DC 转换电路等。 (4)负载。因其供电的不同，

10、可分为直流负载和交流负载，直流负载是直接利用直流电供电，交流负载是利用 220V 交流市电供电。该直驱永磁风力系统主要采用双PWM背靠背方案，其结构如图1所示。图1 直驱风电系统结构示意图永磁同步发电机定子通过背靠背变流器和电网连接，能够实现网侧的独立控制，并把电网不对称故障的影响最大限度的控制在网侧。机侧PWM变流器的主要作用是控制风力发电机的运行，并实现最大风能跟踪。网侧PWM变流器的主要作用是提供稳定的直流母线电压，并实现网侧的单位功率因数控制。1.1 三相不控整流与升压斩波模块低速永磁同步发电机发出的交流电经不可控整流器件输出到初级直流母线，母线上的初级直流电压和发电机输出的端电压成正

11、比，因为发电机的端电压要随风速的变化而变化，初级直流母线电压波动较大，在4001100V范围变化。当逆变器的输入直流电压很低时，为了并网必须提高逆变器的调制深度，会导致逆变器运行效率低，开关利用率低，峰值电流高，传导损耗大。为解决该问题在整流器和逆变器之间加入一个可控的升压斩波环节，通过控制升压斩波电路的占空比，使二级直流母线电压稳定在11501200V范围内，保障直流母线的稳定，使永磁同步风力发电机运行在非常宽的风速范围，逆变器也能将稳定可靠的能量馈入电网。另外升压斩波电路还可以调节整流器输入端（即发电机输出端）的电流波形，以改善其谐波失真和功率因数。为提高系统可靠性，升压斩波器控制应独立于

12、PWM逆变器控制。1.2 制动功率模块当电网电压跌落时，使得直流母线上的能量无法正常向电网传递时，为避免直流母线电压过高造成器件的损坏，投入制动功率模块，将多余的能量在电阻R上通过发热消耗掉。控制策略：由确定电压跌落时制动功率模块的导通占空比d，为直流侧输入和输出功率差，超出允许值时，使d = 1，完全投入制动功率模块；系统正常运行时，和在有限范围内波动，此时制动功率模块不参与工作，d =0；此模块可提高直驱式永磁同步风力发电系统的低电压穿越能力。1.3 逆变器模块逆变环节采用双PWM逆变器通过三相L滤波器并联的形式，以减小每个IGBT通过的电流大小，均流控制采用给定电流折半后作为两组逆变器的

13、各自给定电流，从根本上抵制了环流的产生。在各种工况下，均不会出现直流母线通过输出电感放电的问题，2条直流母线之间无能量交换，同时逆变器1、2工作方式的自由度很大。两个变流器进行并联运行时，每个变流器需变换的功率为额定功率的一半，给定电流应设定为应有电流的一半，保证二者均流、分担电流即可。2电网侧变流器的控制策略电网侧变流器控制策略结构框图如图2 所示。假设d-q坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d 轴，将电网电压综合矢量定向在d轴上，电网电压在q轴上投影为0。网侧变换器在d-q坐标系下的数学模型为：图2 网侧变流器控制框图（1）（2）（） 式中和分别为网侧变换器进线电抗器的电阻和电感；和分别为网

14、侧变换器控制电压的d、q轴分量；、分别为电网电压和电流的d、q轴分量；为电网同步角速度。调节电流矢量在d、q轴的分量就可以独立控制变换器的有功和无功功率(功率因数)，实现有功、无功独立调节。对网侧变换器可采用双闭环控制，外环为直流电压控制环，通过直流侧电压控制器确定d轴参考电流，控制变流器输出的有功功率,无功设定通常为0，可使系统运行在单位功率因数状态；内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流以及设定的无功电流，以实现快速的电流控制。对d、q 轴电流可分别进行闭环PI 调节控制，可得到最终的d、q 轴控制电压分量和，结合电网电压综合矢量位置角和直流电容电压，经空间矢量调制后可得到电网

15、侧变换器所需的PWM驱动信号。这样既可保证发电机输出的有功功率能及时经网侧变换器馈入电网，又可实现发电系统的无功控制。3 仿真试验3.1 仿真系统及参数图3是基于Matlab/Simulink构建的单个变流器仿真系统图。为简化模型，以恒定的交流电压源代替永磁同步发电机的输出。两个变流器并联的仿真系统图如图3 所示，变流器子图如图4 所示。图3 仿真系统图4 变流器子图本文仿真具体参数如下：输出功率1.5 MVA，直流侧电压额定值1200 V，功率器件为绝缘栅双极晶体管（IGBT），开关频率为2kHz，升压斩波电路的电感值1.5mH，开关频率10kHz，最大电流1170A，直流侧电容68000F

16、，输出滤波电感2.2mH，输出滤波电容500H，直流电压母线比例积分（PI）控制器参数为，网侧变流器电流PI 调节器参数为，。3.2 仿真试验结果及分析根据新的电网规则，风电系统需要在一定的功率因数范围内运行，可以向电网发出或从电网吸收一定的无功功率，为电网的总体高度作出贡献。一般要求的功率因数范围为超前0.9到滞后0.9，本文只给出了单位功率因数及滞后功率因数0.9的仿真结果。仿真得到不控整流桥的输出电压、电流波形及升压斩波电路的输出电压波形如图5所示。从图中可知：图5 直流母线电压波形不控整流桥的输出直流电压有波动，平均值约为640V，经升压斩波电路后输出较平稳的直流电压，电压值为1200

17、V，系统启动前0.02s时，流过不控整流桥有很大的冲击电流，约为额定电流的3倍。这是由于风电系统刚启动时直流母线电压为0，有来自电网高的反向冲击电流，此电流过大会使二极管损坏。为解决此问题，当直流母线电压为0 时，先由电网向电容充电，这样可实现风电系统平稳并网，不对电网产生冲击。当无功设定为0时的逆变器输出电压电流波形如图6（a）所示，有功、无功功率波形如图6（b）所示，实现单位功率因数输出。当无功设定为负值，使风电系统工作在滞后功率因数0.9时，向电网发出容性无功功率，逆变器输出电压电流波形如图6（c）所示，有功、无功功率波形如图6（d）所示。可见网侧变换器具有优良的无功调节能力，当无功输出

18、增大时，输入到电网的有功必定减小。说明该系统具有良好的并网有功和无功独立控制能力。对输出的电流应用FFT进行谐波分析的波形图如图7所示，输出电流总谐波畸变率THD=1.99%。可见采用基于电网电压定向的电压、电流双闭环矢量的逆变器并网控制策略产生的谐波很小。（a） 无功设定为0电压电流波形（b） 无功设定为0有功功率、无功功率波形（c） 滞后功率因数0.9时电压电流波形（d） 滞后功率因数0.9时有功、无功功率波形图6 网侧逆变器的仿真波形图7 注入电网电流的谐波4 结束语变流器并联运行是直驱式风力发电系统中实现低压、大电流全功率变流的有效途径。本文针对1.5MW直驱式六相永磁同步风力发电系统，采用两变流器并联运行，提出一种基于电网电压定向的电压、电流双闭环矢量控制策略实现并网逆变，控制系统结构简单，不仅可实现有功、无功解耦控制，功率因数可在滞后0.9到超前0.9范围变化；风电机组能在非常宽的风速范围运行；且注入电网的电流是正弦波，产生谐波小，对电网污染小，有效提高了风能利用效率。仿真试验结果证明了该控制策略的正确性、有效性，具