基于MATLAB的光伏并網發電系統仿真

唐 杰，唐 杰，唐婷婷

（湖南邵陽學院電氣工程系，湖南 邵陽 422000）

0 引言

隨著社會不斷的發展，世界對能源的需求越來越多，各國在大力開發新能源。其中，光伏發電占有重要比例，在生活中也越來越重要[1～2]。一方面，太陽能光伏發電規模的不斷增加，使得光伏發電的應用前景越來越好。另一方面，電能變換技術的不斷發展使得太陽能光伏發電在當前的能源結構中的地位越來越高[3～4]。

我國正在大力發展光伏并網發電技術，并取得了一定的成果。本文分析光伏陣列的數學模型以及工作原理。在電網平衡的情況下對逆變器采用PQ控制策略，來實現交流側電壓與電網同步。在理論基礎上，通過 MATLAB搭建光伏并網發電系統。

1 光伏并網發電系統拓撲結構

圖1為并網發電系統拓撲，光伏陣列轉換得到的電壓值較低不能直接通過電能變換進行并網，因此運用升壓斬波電路對光伏陣列電壓進行升壓并且使直流母線電壓穩，讓逆變器對穩定的直流母線電壓進行電能變換，得到與電網同步的交流電。

圖1 光伏并網發電系統拓撲

2 并網發電系統仿真模型

2.1 光伏陣列仿真模型

本文搭建的光伏陣列仿真采用的是光伏陣列通用數學模型，光伏陣列的作用是將太陽的光照強度以及光照總時間轉換為電能，首先我們要知道任意太陽光照射在陣列版上時太陽電池的溫度Tc（OC），Tc=Ta+tcR。R表示太陽總的輻射值，tc表示溫度系數。

其中，ε是所選的材料帶能；陣列的最大電流參考值為Im,ref，陣列的最大參考電壓值為Vm,ref，μVoc是對應的電壓系數，μIsc是Isc的系數。

2.2 升壓斬波電路仿真

圖2為升壓斬波電路圖，由圖可知E為電源電壓，也是輸入電壓；升壓斬波電路的電感用L表示，電容用C表示，二極管用VD進行表示，R為負載電阻。根據能量守恒原理可得到：

圖2 升壓斬波電路圖

式中：T為周期，ton為導通時間，toff為關斷關斷時間，I為電流值，Uo表示負載電壓及輸出電壓。

2.3 逆變器PQ控制策略仿真

把光陣列產生的直流電通過逆變器轉換成電壓大小與電網電壓幅值大小相同相位相同以及波形相同的交流電，因此有相應的控制策略控制逆變器。本文運用傳統的PQ控制來控制逆變器，交流側電壓與電網同步達到并網要求。圖3位PQ控制的系統框圖，通過系統框圖我們可以得到相應的數學模型，設定參考電流idref和iqref，對并網三相電流進行dq變換得到id和iq兩個分量。

圖3 逆變器PQ控制模型

通過系統框圖可以得到逆變器的輸出電壓和功率為：

3 仿真結果分析

本文通過Matlab/Simulink設計完整的光伏并網發電系統的仿真模型，如圖5所示。仿真結果驗證整個仿真的真確性。還有直流母線端的電壓仿真結果，驗證光伏陣列模塊的可靠性，以及升壓斬波電路控制策略的穩定性。光伏發電系統參數設置如下：電網電壓：380 V；并網頻率：50 Hz；直流端參考電壓：800 V；仿真步長：5e-6 S。

圖4 并網測三相輸出電壓

圖5 光伏并網發電系統仿真模

圖4為光伏并網發電系統并網測三相電壓仿真結果，三相光伏并網發電系統的輸出電壓與電網電壓幅值相等，頻率和相位相同，得到理想的輸出波形，因此驗證了仿真模型的準確性。

圖6為光伏陣列輸出的電壓經過Boost電路后的直流測電壓仿真結果，每個時間段光伏板受到的光照強度大小是不相同的，轉換的電能也是不相同的，因此我們通過光伏陣列得到一個穩定直流電壓，直流電壓再通換的電能也是不相同的，因此我們通過光伏陣列得到一個穩定直流電壓，直流電壓再通過升壓斬波電路得到放大而穩定的直流電壓，直流電壓參數穩定在800V，驗證光伏發電系統的穩定性與可靠性。

圖6 直流側電壓

4 結論

本文搭建完整光伏并網發電系統的仿真模型，并驗證了三相光伏并網逆變器的工作特性。仿真結果表明，逆變器交流側電壓與電網同步，驗證仿真的正確性與穩定性。本文給出了仿真模型的整體拓撲結構，以及各個模塊的參數，本文采取的是比較通用的 PQ控制策略，還需要進一步的學習與研究，使得并網逆變器的控制技術進一步完善。