太陽能與市電互補系統的Matlab仿真研究

楊 濤，胡天友，楊 攀

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都610106；2.電子科技大學，四川成都611731；3.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶401100)

太陽能與市電互補系統的Matlab仿真研究

楊 濤1，胡天友2，楊 攀3

(1.成都大學電子信息工程學院，四川成都610106；2.電子科技大學，四川成都611731；3.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶401100)

在具有多個新能源輸入的聯合供電系統中，一個多輸入直流變換器(MIC)就可以實現傳統的多個單輸入直流變換器的功能，并且達到簡化系統結構、降低系統成本的目的。MIC通常需要進行能量管理以實現可再生能源的優先利用。首先將多輸入直流變換器系統和單輸入直流變換器系統進行了比較，然后以雙輸入Buck變換器為例，分析了雙輸入Buck變換器工作原理。為了驗證雙輸入Buck變換器工作原理的正確性，在Matlab中搭建了基于太陽能與市電互補的雙輸入Buck變換器仿真模型，對系統進行了仿真分析。仿真結果驗證了雙輸入Buck變換器工作原理和能量管理策略的正確性。

聯合供電系統；多輸入直流變換；能量管理；Matlab

能源是整個人類社會和發展的物質基礎，沒有了能源，人類文明的發展也將停止。隨著人類社會的飛速發展，對化石能源等不可再生能源的消耗量日益增加，造成能源衰竭、環境污染等問題，嚴重影響了社會的平衡發展。

新能源作為解決能源危機、環境污染的重要途徑之一，已逐漸被人們重視起來。新能源一般是指可再生能源和無污染能源，包括太陽能、生物質能、水能、風能、地熱能、波浪能、洋流能和潮汐能等。新能源憑借其清潔無污染、分布廣泛、可持續利用等眾多優點，成為了各國科學家的研究熱點。但許多新能源受到環境和天氣的限制，存在供電不穩定和不連續的缺點，因此通常將不穩定的新能源與穩定的發電單元結合起來，聯合穩定地向用戶提供電能[1]。

多輸入直流變換器(Multiple-Input Converter，MIC)的概念是隨著新能源聯合供電系統的發展而提出的。MIC[2]具有多種工作模式，既可單獨向負載供電，又可同時向負載供電，實現嚴格意義上的能量互補。

太陽能是一種十分具有潛力的可再生清潔能源，使用易于獲得的市電作為其后備能源可以有效解決其供電不穩定的缺點[3]。本文在Matlab中搭建了基于雙輸入Buck變換器的太陽能與市電互補系統，并進行了仿真。

1 兩種聯合供電系統的比較

圖1給出了一種基于多個單輸入直流變換器的新能源聯合供電系統。可以看出，每個輸入源都各自具有一個適合其特性的直流變換器對其進行電能變換，然后再并聯到一條公用的直流母線上。

在圖2中，采用一個多輸入直流變換代替圖1中的多個單輸入直流變換器，此系統將多種能源輸入到多輸入直流變換器中，進行能量變換后再給負載提供電能[4]。

圖1 單輸入直流變換器系統

圖2 多輸入直流變換器系統

可以看出，圖2中的系統元器件減少了許多，這樣可以降低系統的復雜度和成本，同時也可以使得系統控制更加靈活。而且圖1中系統的每個變換器的輸出并聯在直流母線上，由于電壓鉗位的原因，同一時刻只能有一路輸入源向負載提供電能，并不是嚴格意義上的能量互補系統。而圖2中的系統通過合理地控制多輸入直流變換器中的開關管，可以達到嚴格意義上的能量互補。

綜上所述，可以看出圖2中的結構比圖1中的結構在聯合供電系統中更有優勢，圖2中的系統將逐漸取代圖1。

2 雙輸入Buck變換器工作原理

接下來對一種典型的多輸入直流變換器系統進行詳細分析，如圖3所示，為雙輸入Buck變換器的電路圖。圖中Vin1和Vin2分別是兩路輸入電壓，V1、V2為開關管，VD1、VD2為續流二極管，Lf和Cf是輸出濾波電感和電容，RLd是負載。

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圖3 雙輸入Buck變換器電路圖

V1導通，V2截止時，Vin1單獨向負載供電。V1截止，V2導通時，Vin2單獨向負載供電。V1、V2同時導通時，Vin1、Vin2串聯向負載供電。只要合理控制V1、V2的導通與關閉就可控制兩路輸入源的能量合理分配，并向負載提供穩定的電能。圖4給出了雙輸入Buck變換器的工作波形。

由以上分析可知，該變換器的平均輸出電壓為：

本文研究的系統采用太陽電池作為可再生能源，市電整流作為太陽電池的補充能源[5]。在此系統中，可以分為以下三種工作模式：

工作模式1：當負載所需功率小于太陽電池的功率時，此時太陽電池單獨對負載進行供電，通過調節開關管Q1的占空比可以使變換器工作在穩壓狀態。Q2始終關斷，市電不工作。

工作模式2：當進入晚上或者遇到陰雨天氣，太陽電池不能正常工作時，此時由市電單獨供電，通過調節開關管Q2的占空比可以使變換器工作在穩壓狀態。Q1始終關斷，太陽電池不工作。

工作模式3：當太陽電池可以正常工作但功率小于負載所需功率時，此時太陽電池與市電同時供電，控制Q1使太陽電池工作在最大功率輸出狀態，控制Q2穩定輸出電壓，由市電來補充不足的功率。

圖4 雙輸入Buck變換器的工作波形

3 雙輸入Buck變換器的建模與仿真分析

圖5 仿真模型原理圖

系統主要由太陽電池、市電整流、雙輸入Buck變換器、MPPT控制器、電壓調節器、電流調節器、模式選擇器等模塊構成。下面分別介紹各個模塊的作用和工作原理。

太陽電池，即PV模塊，是對太陽電池進行的建模，具體參數在不同仿真模式下進行給定，我們設置的參數為標準測試條件下的參數，即光強(1 000 W/m2)和溫度(25℃)。

MPPT控制器的功能為對太陽電池的電流電壓進行計算后，給出最大功率點電流參考值，輸出到電流調節器的輸入端。

AVR模塊是電壓調節器，主要作用為穩定輸出電壓，讓其跟蹤給定值。電路原理是：輸出電壓與給定值比較以后經過PI調節，然后再通過PWM生成器就得到PWM2信號，從而跟蹤給定輸出電壓。經過PI調節后的另外一條支路就到了MC模塊，此信號主要作為系統工作模式的選擇信號。

MC模塊主要作用為系統工作模式的選擇。其內部原理圖如圖6所示，其工作原理為信號首先經過一個選擇器，作用為當大于0時，選擇器輸出為0信號，最后輸出的也為零信號，此模塊對ACR模塊沒有影響，此時對應于工作模式2和模式3；當小于0時，輸出信號，其中R2和C1的作用為把電壓信號轉換為電流信號，作為ACR的一路給定信號，此時對應在模式1。

圖6 MC內部原理圖

ASR的主要作用分為兩種模式：當太陽電池板單獨供電時，作為一個電壓調節器去調節輸出電壓；當同時供電時，其主要作用為使輸出電流跟隨太陽電池板的最大功率點電流。工作原理為：輸入由太陽電池最大功率點電流、太陽電池電流和AVR的輸出信號組成，這三個信號經過比較和PI調節后，通過PWM生成器后得到Q1的控制信號PWM1。

以上是系統的建模過程，下面通過系統的仿真分析來驗證系統的正確性。

圖7給出了標準狀況下，即太陽電池最大功率為450 W時，太陽電池單獨向負載供電的系統仿真波形。圖中，是輸出電壓，是輸出電流，是市電整流電壓，是市電整流電流，是太陽電池電壓，是太陽電池電流。圖8、9中也是如此。此仿真中太陽電池最大輸出功率高于負載功率，太陽電池不能以最大功率輸出，控制使太陽電池進行穩壓，市電退出供電。由圖中波形數據可以計算得到太陽電池的功率為200 W，等于負載功率，工作點不在最大功率點上，輸出電壓可以穩定在80 V。

圖7 太陽電池單獨供電仿真波形

將太陽電池的光強參數改為0，此時太陽電池不能正常工作，圖8給出了太陽電池不工作時，市電單獨向負載供電時的穩態仿真波形。此時市電單獨供電，太陽電池退出供電。由圖中波形數據可以計算得到市電輸出功率為200 W，等于負載功率，輸出電壓穩定在80 V。

圖8 市電單獨供電仿真波形

將太陽電池的光強參數設定為400 W/m2，此時太陽電池的最大功率不足以滿足負載所需功率，圖9給出了太陽電池與市電同時供電的仿真波形。此時太陽電池輸出最大功率，市電補充不足功率，進行穩壓。太陽電池輸出功率等于150 W，工作在最大功率點上，市電補充剩余的功率，負載電壓等于80 V。

圖9 太陽能與市電同時供電仿真波形

4 結論

多輸入直流變換器應用在可再生能源聯合發電系統中，可簡化電路，縮小系統成本。由于系統通常存在多個輸入源同時向負載供電，其能量管理是此類系統的重點研究對象。

本文以雙輸入Buck變換器為例，分析了雙輸入Buck變換器的工作原理和工作模式，并在Matlab中對系統進行了建模和仿真。仿真結果驗證了此系統的正確性和有效性。

[1]盧平.能源與環境概論[M].北京：中國水利水電出版社，2011：6-41.

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[3]阮新波，嚴仰光.直流開關電源的軟開關技術[M].北京：科學出版社，2000:34-41.

[4]楊東升，楊敏，阮新波.雙輸入Buck變換器的單周期控制[J].電工技術學報，2012，27(1):162-171.

[5]田勤曼.光伏發電系統中最大功率跟蹤控制方法的研究[D].天津：天津大學，2008.

[6]周世瓊，盧智峰，康龍云.太陽電池的建模與仿真[J].深圳信息職業技術學院學報，2012,10(1)：80-83.

Matlab Simulation study of hybrid power system composed of photovoltaic and commercial Power

In hybrid power systems of multiple inputs,a multiple-input converter(MIC)could realize the function which was realized by traditional single-input converters, which could simplify structure and lower cost of the system.Usually,the MIC needed to conduct power management to realize the priority use of the renewable energy.Two hybrid power systems were compared.Then the principle of the circuit of a double-input Buck converter system was analyzed.The simulation model of the double-input buck converter of the system combined by solar cell and commercial power was built,and simulation was conducted.The simulation results verify the correctness of the principle and power management strategy of the double-input buck converter.

hybrid power system;multiple-input converter;power management;Matlab

TM 47

A

1002-087 X(2016)03-0625-03

2015-08-19

成都市科技項目(11GGYB945GX-070)

楊濤(1969—)，男，四川省人，高級工程師，主要研究方向為電氣工程及測控。

胡天友，E-mail:hutianyou138@sina.com