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摘要：利用太阳光照环境建立了光伏阵列数学模型，在MATLAB/Simulink仿真环境下进行了光伏发电建模。设计整个光伏微电网，对升压变换器使用MPPT控制来达到最大功率跟踪，用PQ策略对逆变器稳定性进行了研究；对整个光伏微电网进行稳定性分析，通过输出功率波形来判断光伏微电网系统的稳定性。
关键词：MATLAB/Simulink仿真；光伏微电网；PQ策略；系统稳定性
光伏发电是解决能源可持续发展的方式之一，目前所使用的光伏发电的方式有独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。其中，光伏并网发电系统不仅能够有效利用光能，而且还能灵活控制输出功率以适应用户端的供电需求。因此，使用光伏微电网并网的发电方式更受欢迎。但是，这种发电方式之所以没有大量普及是因为它还存在一些问题，其中最重要是微电网的稳定性问题，包括光伏微电网本身的稳定性和微电网的并网稳定性。
1光伏发电系统建模及其仿真
1.1建模及参数的设置
太阳能电池的电流、电压以及两者之间的关系是通过其他一系列参变量来表示的。在这些参变量中，考虑太阳能电池表面的日照强度和电池温度是最为主要的。光伏阵列的输出电压、电流关系式如下：
由以上式建立方程组，可得出光伏阵列的输出特性。式中：A为二极管的理想因子；玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K，q=1.6×10-19C，为电子的电荷量；Rsh和Rs为并联和串联电阻[1]。
当光伏电池电压增大到一定程度时，电流会随着电压增大而减小。光伏电池的输出功率随着电压的增大先上升，后下降，当电压在21V附近时得到最大功率。
当光伏电池在运行时受外界环境温度、光照强度等因素的共同影响时，光伏电池的特性将会呈非线性特征，因此数学模型很难精确的表示光伏电池特性。理论上，当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池输出功率最大。也就是说，如能通过控制实现对负载阻抗的实时调节，使其跟踪光伏电池的输出阻抗，就可以实现光伏电池的MPPT最大效率控制。
1.2系统建模
在MATLAB/SIMULINK软件中建立光伏发电模型。在建立的系统的主电路中，除了光伏电池之外，还有用MPPT控制的升压变换器，以及用PQ控制的三相逆变器，这些部分共同组成了能够与大电网并网的光伏微电网。光伏并网发电系统的整体结构由光伏电池产生最初的电流，经过升压变换器后输出最大功率，然后经过逆变器将直流转换成三相交流，最后并入电网和电网一起为用户供电（用户端等效为负载RLC）[2]。
1.3基于升压变换器的MPPT控制方法
升压变换器电路简单、成本低。在光伏发电系统中，DC-DC变换器的核心为升压变换器，该变换器采用全控型开关管T，在变换器输入端串联一个电感L，近似于电流源电路，输出端并联一个电容C，近似于电压型负载。
在升压变换器的电路中，占空比D是可以控制的变量，MPPT能够通过控制变换器开关管的占空比D来改变系统的输出电压或电流大小，从而改变输出功率。在这里，我们可以将升压变换器和负载RL看作是一个阻抗，其阻抗变换关系如下式所示：
其中，R为BOOST电路等效输入阻抗，D为开关空比，R为负载阻抗，式中不考虑BOOST电路的自身功率损耗。因此，通过不断改变占空比，升压变换器的输出功率也会相应改变，通过对升压变换器的仿真。升压变换器的输出功率的确随着占空比的改变而改变。当占空比达到0.73左右时，输出功率最大，为6000W左右。正是升压变换器的这种特性，才为MPPT中扰动观测法的扰动提供了可能。
最大功率跟踪方法采用扰动观察法，检测光伏电池输出电压#电流值，通过计算获得光伏电池当前的输出功率P，比较前后两个时刻的输出功率，进而确定参考电压Uref的扰动方向。如果△P＜0，则表明参考电压所加扰动的方向错误，需要对参考电压的扰动方向做出调整。如果△P＞0，则表明参考电压所加扰动的方向正确，从而继续按原来的方向增加扰动。
2光伏并网逆变器的建立
我们已经知道逆变器的整个结构：直流环节经三相逆变器并网，而逆变器输出端的电压以及电流频率由逆变器的控制策略决定，电压的幅值由逆变器输入端直流电压和逆变器控制策略共同决定$因此，对逆变器控制策略的设计非常重要。PQ控制指的是逆变器输出的有功功率P和无功功率Q的大小可控，可以通过改变有功功率和无功功率的设定值来改变逆变器输出的有功功率P和无功功率Q。在PQ控制中输入P和Q的参考值后，运行基于PQ控制的三相逆变器，可以得到波形。一开始由于功率参考值设为了1000W，因此PQ便开始调控，使逆变器的功率不断增大，在0.05s后达到了设定值并维持了稳定。而在0.3s的时候设定值上升到3000W，因此PQ控制再次开始调控，在不到0.01s的时间内，将逆变器输出功率提高到了3000W并维持稳定输出。这里的时间之所以比第一次调控的时间短，是因为第一次调控时系统刚刚开始运行，0.05s里面不仅包含了调控时间，还包含了整个系统从一开始运行一直到稳定运行的时间，因此时间较长[3]。PQ控制改善了波形、控制了逆变器的输出，电感电压稳定，实现了所需要的功能。验证了并网控制策略的有效性。
3结束语
建立了光伏阵列数学模型，在MATLAB/Simulink仿真环境下进行了建模和仿真并以此组建了整个光伏微电网系统模型。用PQ策略对逆变器稳定性进行了研究，使DC-DC部分中太阳能光伏阵列输出功率最大。通过仿真实验，在t=0.3s时，系统并网电流和电压能稳定的保持同频同相，太阳能光伏发电电池板输出功率增加，逆变器的输出功率稳定并且可控。PQ控制通过验证证明PQ控制策略的有效性。
参考文献：
[1]罗继东，王建平，王宪磊.基于MATLAB微电网光伏发电系统稳定性的研究[J].塔里木大学学报，2017（02）：87-94.
[2]董开松，胡殿刚.考虑系统多运行方式的微电网逆变控制器参数优化方法[J].高压电器，2015（06）：115-121，126.
[3]党克，佟宗超，高红华，金珈成.含光伏发电的微电网电压稳定性控制研究[J].电力电子技术，2012（10）：27-29.
论文作者:张富宏,王家勋,谢明,马昌海,王长奎
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
标签：变换器论文; 光伏论文; 逆变器论文; 电网论文; 电压论文; 输出功率论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第25期论文;