光柴互補系統建模與改進MPPT控制策略

曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

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光柴互補系統建模與改進MPPT控制策略

曹 益，施偉鋒，卓金寶，侯姝琪

(上海海事大學，上海201306)

介紹了光伏電池原理，在MATLAB/Simulink中建立了光柴互補發電系統。采用Matlab的S函數編寫了光伏電池MPPT控制器控制方法，并在當負載吸收功率小于光伏電池輸出功率時，對控制器進行了改進，以防止功率流入柴油發電機。仿真得到負載工況變化下系統的功率、電壓曲線，驗證了改進的MPPT控制器的可行性。

光柴互補系統 建模 改進MPPT控制 S函數

0 引言

微電網是指將需求區域內分布的小型發電單元（分布式電源）、儲能裝置以及需求區域內負荷組織起來而形成的發電、變電、輸電、配電系統，目前研究內容包括：微網系統的仿真建模與應用；微網系統分布式電源最大功率輸出與并網的實現；系統經濟分析和優化調控設計等。光伏發電有離網獨立供電和并網供電兩種工作方式[1]。

本文在Simulink中建立光伏電池的數學模型、柴油發電機模型、功率控制系統，以及分工況負載系統。設計了最大功率控制器，同時，根據負載的不同情況對MPPT控制器進行了改進。通過系統仿真圖分析，驗證了改進MPPT控制器符合預期。

1 光伏發電

1.1發電原理

目前，光伏電池大多由半導體元素硅元素組成，摻雜一些其他的原子。光伏電池大多由薄的硅晶圓組成，分為上層N-層與底層P-層。上層比較薄，摻雜了磷原子，而下層厚一些，摻雜了硼原子，作為襯底，其結構示意圖如圖1所示。

硅原子的價電子層具有四個電子，硅原子之間有共價鍵，形成硅晶體，無自由移動的電子。摻雜的磷原子最外層有五個電子。這樣，在N-層中則出現了多余的電子。當太陽光照射到N-層表面，光子撞擊的能量大于原本的共價鍵之間的作用力時，共價鍵被破壞，此時，多余的電子發生移動。另一方面，由于在P-層摻雜了硼原子，硼原子的價電子層有三個電子，這樣在P-層晶體中產生了“空穴”。這些“空穴”實質上是由于共價鍵配對過程中，缺失的電子形成的。此時，當從N-層移動的電子運動到P層時，正好填充了配對缺失電子而形成的“空穴”，看起來相當于“空穴”在移動。

圖1 光伏電池結構示意圖

電子不斷地移動與“空穴”相配對，從而在P-層與N-層相交處形成了PN結。由于“空穴”的不斷移動，聚集在PN結與N-層相交處，從而在PN結中產生電場，稱為內建電場。該電場不僅使得N-層電子移動到PN結附近，同時也阻止P-層電子的反向移動，即從P-層運動到N層。當外接電路負載時，N-層內部移動至PN結的電子，由P-層移動的電子所補充。亦可以理解為P-層向PN結運動的“空穴”被流入來自光伏電池背面的電子所填充。從而在外部電路形成電流，持續的對外部負載做功。

1.2光伏電池的數學模型

光伏電池的發電原理是十分復雜的，圖2給出了該復雜原理的等效電路。

圖2 光伏電池等效電路

圖2中，I為光生電流，大小取決于光照強度、材料等；I為二極管電流；R，I分別為對地漏電阻，旁路漏電流，理想情況下為無窮大；R為光伏電池等效內阻，理想情況下為0；一般情況下，與PN結深度、雜質等有關；V分別為輸出端電流、開路電壓。

2 MPPT控制以及改進方法

2.1 MPPT控制方法簡介

光伏電池的輸出電壓和輸出電流隨著光照強度和環境溫度的變化具有非線性特性，因此在特定的環境下存在著唯一的最大功率點（MPP）[2]。為了最大效率的轉化太陽能，最大功率點跟蹤就成為光伏發電系統必不可少的一個環節[3]。最大功率點作為功率輸出的最優點，需設計最大功率跟蹤控制器來逼近甚至穩定在該點。MPPT控制方法主要有擾動觀察法（P&O法）和電導增量法（INC法）[4]。

圖4 光伏電池V-P曲線(,)

本文采用電導增量法設計最大功率控制器[5]。在P-V曲線上，最大功率點左側，Δ/Δ為正值，最大功率點Δ/Δ為零，最大功率點右側，Δ/Δ為負值。所以，只要當Δ/Δ為正值，則增大電壓Δ；而當Δ/Δ為負值，則減小電壓Δ。對于一直保持零值，則是不太可能的，針對這樣一種情況，在零附近設置可行性區間[, 0],[0,]，的值在此區間內則認為此時已經運行在最大功率點。

圖5 改進MPPT控制流程圖

2.2 MPPT控制器改進

MPPT控制器始終追蹤最大功率，會出現輸出功率大于負載功率的情況。此時，由于本系統沒有儲能系統，功率會流入柴油發電機，造成事故。所以，此時必須對光伏電池的輸出功率進行控制。那么，原來追蹤最大輸出功率的MPPT控制器必須按需改進。本文基于實際情況中，負載端負載變化快的因素，通過采集柴油發電機端的功率流向進行控制器設計。當功率流入柴油機時，即時的限制光伏電池的功率，從而達到保護系統，同時符合負載的功率要求。其控制流程如圖5，其中Ps為柴油發電機的發出功率。

在控制器設計中引入了柴油發電機功率的測量及功率方向，是改進控制器設計的核心部分。

3 Simulink系統搭建與仿真

3.1系統Simulink搭建

本文仿真模型采用SPR-305E-WHT-D模塊，由5個電池模塊串聯形成電池組件，66個電池組件并聯形成電池陣列，此時，輸出功率最大為 100.7 kW。基于MATLAB/Simulink建立了SE-DS系統，系統結構如圖6。其中，光伏曲線與溫度曲線是利用Signal Builder 模塊建立的光伏與溫度數據輸入曲線；PV Array是光伏電池模塊組，是根據光伏電池數學模型等效電路建立的；MPPT控制器是利用S函數模塊建立的，根據改進MPPT控制方法建立最大功率控制器。Boost變換器是boost升壓變換電路，其輸出電壓高于輸入電壓的直流變換器。三相橋是三相橋式電路的簡稱，是將直流電轉換為三相交流電供負載使用的裝置。

圖6 SE-DS系統Simulink模型

VSC控制器模塊控制三相橋式電路，將boost變換器輸出電壓轉換為所需交流電壓，并保持單位功率因數。系統由兩個控制回路組成，一個回路將直流電壓調節為所需電壓的直流控制回路，回路輸出I參考電流；另一個是調節I（直流控制回路產生的參考電流）和I的控制回路。I電流基準設為零，以保持單位功率因數[4]。根據參考電壓電流，產生控制三相橋式電路的脈沖，滿足負荷的需求。柴油發電機系統作為另一電源系統，原動機帶動同步發電機產生具有額定電壓與頻率的三相電源。

3.2系統仿真

1）負載功率大于光伏電池功率的工況

光伏電池功率為100 kW，柴油發電機的功率為200 kW，負載在2 s時負載由150 kW增加到250 kW。可見，負載功率大于光伏電池的最大功率。仿真結果如圖7。

由功率曲線可知，光伏電池發出的功率隨著光照強度以及溫度，輸出功率不斷增加，但是由于負載功率大于光伏電池發出的功率，柴油發電機介入，使得發出的功率滿足負載的功率。在2 s時由于負載突變系統發生波動，柴油機發出的功率進一步增加，以滿足負載的需求。而對于電壓，在2 s時由于負載增加，系統發生波動，但是，很快達到穩定狀態。此時，改進的MPPT控制器并未發生作用。

2）負載功率小于光伏電池功率的工況

為了研究這種情況，將負載的功率調節至90 kW，小于光伏電池提供的最大功率。再進行仿真。仿真結果如圖8。

此時，光伏電池在1.3 s時，對比輸出功率（1）中工況可知，此時，光伏電池功率并未超過負載功率90 kW，而是在90 kW處波動，這歸功于MPPT控制器的調節。由于在MPPT控制器的設計中，對柴油發電機的功率進行了檢測，當柴油發電機功率小于等于零時，改進的MPPT控制器及時的限制光伏電池的輸出功率。此時的柴油機發出的功率為零，達到了節能的效果。

4 總結

本文在光伏電池的數學模型分析的基礎上，建立了光柴互補發電系統。針對負載功率小于光伏電池發出的功率，會出現功率流入柴油機從而造成事故的，改進了利用電導增量法設計的MPPT控制器。通過Simulink仿真，說明了在負載大于和小于光伏電池最大功率的工況下，改進的MPPT控制器是可行的。

[1] 郭琦, 趙子玉. 光伏發電系統建模及關鍵技術分析[J]. 電氣技術, 2012, (3): 20-24

[2] Mei Q, Shan M, Liu L, etal. A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(6): 2427-2434.

[3] Masoum M A S, Dehbonei H, Fuchs E F．Theoretical and experimental analyses of photovoltaic systems with voltageand current-based maximum power-point tracking[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2002, 17(4): 514-522.

[4] 梁慧慧. 獨立光伏發電系統最大功率點跟蹤的研究[D]. 重慶: 重慶大學, 2014.

[5] 楊永恒, 周克亮. 光伏電池建模及MPPT控制策略[M]. 電工技術學報, 2011.

Modeling of Solar-diesel Hybrid System and Control Strategy of Improved MPPT

Cao Yi, Shi Weifeng, Zhuo Jinbao, Hou Shuqi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM914

A

1003-4862（2017）08-0069-04

2017-04-14

曹益（1989-），男，在讀碩士研究生。專業方向：電力系統及其自動化。E-mail: 305453129@qq.com