一種基于MATLAB 的組串式光伏逆變器模型＊

魏錢圓，王楊松，孟媛媛

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167）

1 引言

隨著城市化和工業化的進程加快，當前社會能源短缺和環境污染等問題日益加劇。近年來，人們的目光逐漸轉向可再生能源，太陽能作為一種新興的可再生能源，得到廣泛的開發，光伏發電在國內外均得到了迅猛的發展[1-2]。

組串式光伏并網逆變器以其容量小、模塊化設計方案、便于安裝維護和可以使每個光伏組串工作在最大功率點等優點等到廣泛應用，而且隨著組串式光伏逆變器各元件成本的降低，未來對于組串式光伏電站的應用將會越來越多，因此組串式光伏逆變器的研究對進一步推廣光伏發電技術具有極其重要的意義[3-4]。

本文基于Matlab/Simulink 仿真環境，建立了一種1.2 kW組串式光伏逆變器模型，并對其前級結構的控制策略進行仿真，主要包括光伏電池模型分析和光伏陣列的最大功率點追蹤，采用擾動觀察法來控制并實現光伏列陣輸出的最大功率點跟蹤，通過改變環境變量，檢驗模型的工作狀態。

2 光伏逆變器拓撲結構和控制

2.1 組串式光伏并網系統的體系結構

如圖1 所示，組串型結構是指光伏組件通過串聯構成光伏陣列給光伏并網發電系統提供電能的系統結構。通常情況下，一塊光伏板的額定功率一般為250～350 W，本文將四塊功率為315 W 的光伏組件組串成一個光伏陣列。

2.2 光伏逆變器拓撲結構

光伏逆變器通過將光伏組件產生的直流電轉換成交流電，經過濾波之后將電能輸送到電網，從而實現并網。因此，整個并網系統的穩定、高效、安全運行對光伏逆變器的性能有著很高的要求[5]。根據并網逆變器是否帶有隔離變壓器，可以將其分為隔離型和非隔離型兩種結構[4]。

圖1 組串型結構

本文選用兩級非隔離型光伏并網逆變器結構，該結構存在前級DC/DC 和后級DC/AC 兩級能量變換。與單級式結構相比，兩級式結構的控制系統更為簡單，且前級控制與后級并網控制相互獨立，相互間影響小。通過前級DC/DC 變換控制光伏陣列的輸出電壓，通過后級DC/AC 變換控制并網電流的頻率和相位，從而實現并網。

同時本文前級DC/DC 電路采用Boost 電路，Boost 電路具有輸入電流連續、驅動簡單和轉換效率高等優點，同時其簡單的結構也便于整體設計。由于本文的組串式光伏逆變器為1.2 kW，功率較小，因此選取簡單的L 形電路作為后級DC/AC 輸出濾波電路。

2.3 并網逆變器的控制策略

根據本文選用的兩級非隔離型光伏并網逆變器結構，可以通過前級MPPT 控制器和后級的并網電流控制器共同實現光伏并網控制，如圖2 所示。光伏電池的最大功率跟蹤控制由前級DC/DC 變換電路完成，通過光伏組串輸出的直流電壓和電流，實現最大功率點跟蹤控制。后級通過并網電流控制器實現并網電流的控制。前級與后級電路之間通過解耦電容，可以進行單獨控制，提高了系統的轉換效率。

圖2 組串式光伏逆變器控制原理框圖

3 光伏陣列模型與輸出特性分析

由于光伏陣列的工作狀態會受外部環境的多種因素的影響，且諸多參數影響了光伏組件的輸出特性，因此不易實現其數學建模。所以本文中采用光伏陣列在標準工作狀態下的以下參數：UOC（開路電壓）、ISC（短路電流）、Um（最大功率點電壓）、Im（最大功率點電流），簡化構造出近似的工程數學模型[6]：

光伏電池在實際工作條件與標準工作條件下的光照強度差ΔS與溫度差ΔT分別為：

在實際工作條件下的UOC、ISC、Um、Im的大小為：

式（1）～（5）中：Tref為標準光照強度，1 000 W/m2；Sref為標準溫度，25 ℃；a、c為溫度補償系數，a=0.002 5/℃，c=0.002 8/℃；b為光照補償系數，0.5[7]。

根據前文對光伏陣列的分析，在Matlab/Simulink 中搭建相應的數學仿真模型。

在標準條件下，選取UOC=320 V，ISC=5.2 A，Um=254.84 V，Im=4.95 A，于是本光伏陣列的額定輸出功率約為1 261.46 W。利用上述仿真模型仿真可知，當光照強度不變時，隨著溫度的升高，光伏陣列的開路電壓和輸出功率相應降低，但變化不明顯。當溫度不變時，隨著光照強度的增加，光伏陣列電流和輸出功率相應地增大，且變化明顯。

綜合以上分析可知，在知曉光伏組件的4 個標準性能參數情況下，本文所建的光伏陣列模型很好地反映光伏陣列的輸出特性，可以模擬出任意實際條件下光伏陣列的輸出特性，因此該模型可以用于光伏發電系統分析。

4 最大功率點跟蹤（MPPT）的控制方法

通過上文分析可知，光伏陣列具有明顯的非線性特征，其輸出電壓和電流受環境溫度和光照強度的影響。在一定光照強度和環境溫度下，光伏陣列輸出的電壓和電流變化時，輸出功率P也隨之變化，在正常條件下其輸出總有唯一的最大功率點（MPP），為了提高能源利用效率，就要控制光伏陣列，使其始終保持在最大功率輸出狀態，實現這一控制過程的技術就叫做最大功率點跟蹤（MPPT）。

目前MPPT 控制的實現方法主要有恒定電壓跟蹤法、電導增量法和擾動觀察法等，每種方法均有各自的優缺點[8-9]。擾動觀察法（P&Q）的原理如下。

擾動觀察法原理為給光伏陣列的輸出電壓實際值U增加一個擾動量ΔU，計算電壓U和U+ΔU下的功率值P1、P2進行比較，得到一個功率差值ΔP=P2－P1。若ΔP＜0，則說明P1在最大功率點的右側，可施加一個反方向的擾動（-ΔU），讓功率點左移靠近最大功率點；若ΔP＞0，則說明P1在最大功率點的左側，可以繼續增加擾動，讓功率點右移靠近最大功率點[10-11]。

傳統的擾動觀察法是通過不斷地外加擾動電壓來尋找最大功率點。本文采用的改進后的擾動觀察法，通過直接改變光伏陣列的輸出電壓來尋找最大功率點。若擾動后的輸出功率小于原輸出功率，說明當前擾動方向錯誤，應往反方向進行擾動；若擾動后的輸出功率大于原輸出功率，說明此刻的擾動方向是正確的，應繼續向該方向擾動[12]。

依據上述，用Matlab/Siumlink 建立擾動觀察法仿真模塊，如圖3 所示。同時本文采用的是兩級式光伏逆變器結構，在Matlab/Simulink 平臺上搭建的基于前級DC/DC 電路的MPPT 算法仿真模型如圖4 所示。

圖3 擾動觀測法仿真模塊

圖4 最大功率追蹤仿真模型

光伏陣列參數如上述，其余參數設置如下：R為負載電阻（200 Ω），C1為穩壓電容（1 000 μF），C2為濾波電容（300 μF），L為儲能電感（2 mH）。

模型中仿真時間設定為1 s，模擬工作環境溫度為25 ℃，光照強度為1 000 W/m2，對定改進的擾動觀察法在光伏陣列在跟蹤最大功率點時的效果進行仿真驗證。

最大功率點追蹤仿真結果如圖5 所示。從圖5 上圖中可以看出，穩定后輸出功率幾乎沒有波動，輸出功率大約為1 200 W，前文計算光伏陣列的額定輸出功率約為1 261 W，其輸出功率與光伏陣列的額定輸出功率較為接近，說明該算法跟蹤效果較好、精度高。為了驗證此模型在光照強度變化情況下的追蹤效果，設置仿真時間為6 s，初始光照強度為1 000 W/m2，第 2 秒突變為 600 W/m2，第 4 秒突變為1 200 W/m2。同時考慮到溫度對光伏陣列輸出效果也有細微影響，結合實際情況加入溫度影響因素，初始溫度為25 ℃，第2 秒時突變為15 ℃，第4 秒時突變為35 ℃。仿真結果表明，該模型能較快地完成追蹤，且追蹤效果穩定，而且在光照強度突增的條件下，追蹤完成時間更快。同時正常情況下，溫度造成的影響可以忽略不計。

圖5 最大功率點追蹤仿真結果

綜上可知，本文采取的模型對最大功率點追蹤時穩定性好、精度高，有著不錯的效果。

5 光伏逆變器的仿真模型

圖6 是在Matlab/Simulink 平臺上搭建的后級電路選取L形電路作為后級DC/AC 輸出濾波電路的光伏逆變器仿真模型，采用雙極性SPWM 調波方法，通過仿真結果的輸出，來說明前級電路設計的合理性。

圖7 為后級電路輸出的A 相電壓與電流波形。根據圖7中后級電路輸出A 相電壓與電流波形，說明前級電路后級輸出逆變并網提供較穩定的工作狀態，前級電路的設計和控制策略合理。

圖6 光伏逆變器仿真模型

圖7 A 相電路輸出的正弦波形

6 小結

文中首先介紹了組串式光伏逆變器的拓撲結構和控制方法。利用光伏陣列在標準工作狀態下的四個參數，建立了光伏陣列的仿真模型。通過改變光照強度和溫度進行仿真，得到了環境變量對光伏陣列輸出特性的影響，驗證了該工程模型的有效性。

基于Boost 電路，采用改進的擾動觀察法來實現最大功率點跟蹤。在Matlab/Siumlink 平臺上，搭建了帶有最大功率點跟蹤功能的光伏發電系統仿真模型。

仿真結果表明，該模型在實現最大功率點跟蹤時，過程平穩波動小、速度較快、精度高。最后通過完整的光伏逆變器仿真，證明前級電路設計的合理性。

在光照強度突變的瞬間，重新追蹤到最大功率點所需時間較長，如何縮短反應時間有待于進一步研究。