（1.国网聊城供电公司 山东省聊城市 252000；
2.山东鲲鹏建筑节能工程有限公司 山东省聊城市 252000）
摘要：独立光伏发电系统是目前光伏发电重要的一种应用方式。介绍了独立光伏发电系统的结构，分析了其工作原理。设计了以电压作为输出量的光伏电池模型，并分别设计了Boost斩波电路、SPMW逆变电路及滤波电路的仿真模型，在验证各独立模块有效性的基础上，将各模块组合为光伏发电系统，仿真结果表明了模型的有效性。
关键词：光伏发电；光伏逆变器；SPWM；Simulink
MATLAB/Simulink Based Simulation Research on Independent Photovoltaic Power Generation System
Zhang Wanyue 1，Qi Yongjie2，Xia Tian1，Tian Zhiduo1
（1. State Grid Liao Cheng Power Supply Company，252000，China；
2. Shandong Kunpeng Building Energy Conservation Engineering Co.，Ltd.，252000，China）
Abstract：Independent photovoltaic power generation system is an important application mode of photovoltaic power generation at present. The structure of the independent photovoltaic power generation system is introduced，and its working principle is analyzed. A photovoltaic cell model with voltage as output is designed，and the simulation models of Boost chopper circuit，SPMW inverter circuit and filter circuit are designed respectively. On the basis of verifying the effectiveness of the independent modules，each module is combined into a photovoltaic power generation system，the simulation results show the validity of the model.
Key words：Photovoltaic power generation；Photovoltaic inverter；Sinusoidal Pulse Width Modulation；Simulink
引言
在化石能源逐渐枯竭的背景下，保证经济的可持续发展，必须寻求清洁能源的替代。就我国而言，50%以上的面积每年能接收到600 kJ / cm2的太阳能辐射量，总量相当于17万亿t标准煤[1]，因此光伏发电是很有潜力的清洁能源替代品[2]。
从运行方式来看，光伏发电系统有独立运行和并网运行2种。独立运行的光伏发电系统能够解决偏远区域和无大电网供电区域的用电问题，是光伏发电十分重要的一种应用方式[3]，本文基于MATLAB/Simulink对独立光伏发电系统进行了仿真研究。
首先分析了独立光伏发电系统的框架结构，分析了其工作原理，设计了一种以电压作为输出量的光伏电池模型，并分别设计了Boost斩波电路、SPMW（Sinusoidal Pulse Width Modulation）逆变电路及滤波电路的仿真模型，在验证各独立模块有效性的基础上，将各模块组合为光伏发电系统，通过Simulink中的Powergui模块对光伏发电系统仿真模型的输出波形进行了快速傅里叶分析，结果表明波形符合要求，验证了模型的有效性。
1 独立光伏发电系统结构
光伏发电系统结构主要由光伏电池板、逆变电路、滤波电路、负载等4部分组成。其中，逆变器是光伏发电系统的核心部件，可以将光伏电池板产生的直流电转换成符合负载要求的交流电。
隔离型光伏逆变器将电能转换为磁场能再转换为电能，转换过程中必然伴随着能量的损耗，因此采用无变压器的非隔离型光伏逆变器是提高光伏发电系统整体效率的有效方法。非隔离型光伏逆变器又分为单级式和多级式，单级式光伏逆变器的电池板直接与逆变电路连接，没有中间调节电压的环节，要求光伏电池板的电压大于负载所需要的电压，调节性较差，所以本文采用多级式非隔离型光伏逆变器，如图1。
采用多级式非隔离型光伏逆变器的光伏发电系统，光伏电池板的电压需要经过升压环节才能到达中间电压环节，因此只要光伏电池板的电压能够高于逆变器的最低输入电压限值（一般为180V左右），即可有效工作。并且光伏电池板通过多路并联的方式，可组合出各种功率等级。因此，多级式结构逆变器在应用中有更加多样的安装方式和组合方式。
图1 独立光伏发电系统结构图
Fig.1 The block diagram of stand-alone photovoltaic power generation system structure
2 多级非隔离型独立光伏发电系统原理
本节分别分析了多级非隔离型独立光伏发电系统的两个电路：斩波电路和逆变电路，并着重介绍了逆变电路中的SPWM技术。
斩波电路的作用是调整光伏电池因光照、温度等外界原因而产生的电压波动，为后级的逆变电路提供一个较为平稳的电压输入。Boost斩波电路可以升压，通过适当的控制可以使Boost斩波电路的输出端电压只有很小的波动；同时，Boost斩波电路的驱动电路相对简单。综上所述，本文的光伏发电系统采 用Boost斩波电路。
逆变电路一般采用SPWM技术，即通过调制电路输出的控制信号来控制功率管的通断，输出等幅不等宽的矩形波，等效的获得所需要的正弦波形。输出波形中谐波含量随开关频率升高而降低，但开关频率过高也会有不利的影响：功率管损耗增大、发热严重、产生电压尖峰等问题。为此，本文采用了文献[4]设计的单极性倍频SPWM调制方法，输出脉冲的频率是开关频率的两倍，有效的解决了开关频率过高导致的问题，图2展示了单极性倍频SPWM脉冲的产生原理。
图2 单极性倍频SPWM调制原理
Fig.2 The modulation principle of Unipolar & frequency multiplication SPWM
图2中，参考波与三角波两者的相等的点即是后桥臂两管的导通时刻。当 >时，后桥臂的下管导通，上管关闭，此时B点电压=0；当<时，后桥臂的上管导通，下管关闭， =。同理，参考波-与两者相等的点即是前桥臂两管的导通时刻，且，输出电压频率是两倍的开关频率。
3 光伏发电系统Simulink仿真模型的建立
本节首先分别建立了光伏电池、Boost斩波电路、SPMW逆变电路及滤波电路的仿真模型，然后对每个模块进行了仿真并验证了仿真效果，最后将各模块组合为光伏发电系统，进行了仿真分析。
3.1光伏电池的模型及其仿真
光伏电池的模型是非线性的，其I—V特性主要受日射强度S和电池温度T的影响，即I=f（V，S，T）。光伏电池的物理原理表达式（1）：
其中，，的计算公式如下：
本模型只需要输入工程上已知的的技术参数，就可计算出I—V特性曲线。
考虑实际的日照和温度变化，在参考的日照强度和电池温度下的I—V特性曲线的任意点（V，I）附近进行移动，得到实际的日照强度和电池温度下的I’—V’特性曲线[6]，如下所示：
上面介绍了如何已知参数来建立工程用光伏电池模型，下面将其在Simulink中实现。值得注意的是，现有的光伏电池模型的输出是电流[8]，即将电池等效为受控电流源。但是将受控电流源与后级的Boost升压电路相连接时，会出现矛盾，因为Boost升压电路是以电压源作为输入的，且电流源和电感的串联也会出现矛盾。所以本文提出了一种以电压作为输出的光伏电池模型。为此，将式（2）反解出来，并且考虑温度和照度变化的影响：
依据以上的分析，搭建Simulink模型如下：
图3 光伏电池的Simulink模型
Fig.3 Simulink model of photovoltaic cells
本系统的光伏电池采用表1所示的型号，6块串联，两路并联：
表1 某240W光伏电池资料
将各个参数输入到光伏电池模型中，并且改变照度和温度的值得到其输出特性为：
图4 a） U-I曲线
Fig.4 a） U-I curve
图4 b） P-U曲线
Fig.4 b） P-U curve
图4显示的温度为25，照度变化时的U-I、P-U特性曲线。
图5 a） U-I曲线
Fig.5 a） U-I curve
图5 b） P-U曲线
Fig.5 b） P-U curve
图5显示的照度为1000，温度变化时的U-I、P-U特性曲线。
可见，该模型是比较接近实际的。
3.2 Boost电路的仿真设计
首先计算导通占空比。取开关频率为f=20kHz，则T=50us。斩波电路的输入为177V，令电路的输出电压为400V，
导通占空比是1-0.4425=0.5575。
1）、电感的设计
在文献0中，提出了一个计算电感值的公式
为了保证额定情况下满足纹波电流的要求，因此
2、支撑电容的设计
该电容接在Boost电路和后级的逆变电路之间，作用是滤除纹波，将输出电压保持住，实现前后两级的解耦。文献[9]推导了最小电容的公式如下
3、Boost电路的Simulink仿真
根据上述的参数选择结果，在Simulink中搭建Boost电路，进行仿真。搭建的电路图如下：
图6 Boost电路的仿真拓扑
Fig.6 The simulation topology of Boost circuit
其中的光伏电池板的模型采用177V的直流电压源，输出的电压波形如下：
可见，在经过大约0.15s左右的震荡后，Boost电路的输出电压稳定在400V，符合要求，参数选择正确。
3.3 SPWM逆变电路的仿真设计
1、输出滤波器的设计
单级性倍频SPWM逆变电路输出的波形中主要含有基波和角频率为、的高次谐波，是开关频率的两倍，采用两级L-C滤波器滤除高次谐波[10]，如图8所示：
图7 Boost电路的仿真输出
Fig.7 The simulation output of Boost circuit
图8 LC-LC滤波器
Fig.8 LC-LC filter
图9 开关管控制信号的框图
2、开关管控制信号的设计
采用调制法获得对开关管的控制信号，把正弦波作为调制信号，采用等腰三角形波作为载波，通过信号波的调制得到所期望的SPWM波形，调制信号的框图如下图9所示。
3、SPWM逆变电路的Simulink仿真
在Simulink中，利用Repeating Sequence模块产生20k Hz的等腰三角波作为载波，利用 Relational Operator模块模拟电压比较器，利用Gain模块模拟反相器，利用Compare To Zero模拟控制信号的互补，选用IGBT作为开关管。三角载波的幅值为1.0，正弦调制波的幅值是0.8，调制比是0.8。直流电压源为400V。
图10 SPWM逆变电路的仿真拓扑
Fig.10 Simulation topology of SPWM inverter circuit
图11显示的是SPWM逆变电路的输出电压波形。
图11 SPWM逆变电路输出电压波形
Fig.11 Output voltage waveform of SPWM inverter circuit
图12 傅里叶分析结果
Fig.12 Results of Fourier analysis
仿真了两个周期，在第一个周期的前1/4周期存在暂态过渡过程，但是从1/4周期往后就是比较标准的正弦波形了。利用Simulink中提供的Powergui模块进行了快速傅里叶分析，结果如图12所示：
可见，经过滤波后，谐波集中在两倍开关频率40000Hz附近，但是谐波电压总畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）仅为0.39%，基波幅值是320.5V，有效值是226.6V，符合要求[11]。
3.4光伏发电系统的simulink仿真设计
前面分别设计和仿真了光伏电池、Boost斩波电路、SPMW逆变电路及滤波电路，仿真结果证实了每个电路的正确性和可行性，下面将各个模块组合为光伏发电系统进行仿真。
图13 光伏发电系统的仿真拓扑
Fig.13 Simulation topology of photovoltaic power generation system
下面是仿真系统的一些输出波形：
图14 未滤波时的输出电压波形
Fig.14 Unfiltered output voltage waveform
图15 滤波后的输出电压波形
Fig.15 Filtered output voltage waveform
图14-图16详细的表述了光伏发电系统仿真的结果，其中最后一张的FFT分析表明，经过逆变、滤波后，光伏发电系统的输出电压基波幅值为315.3V，THD=0.67%，是比较理想的正弦波形，满足规程要求。
图16 傅里叶分析结果
Fig.16 Results of Fourier analysis
4 结语
本文首先介绍了独立光伏发电系统的结构，分析了其工作原理，设计了以电压作为输出量的光伏电池模型，并分别设计了Boost斩波电路、PMW逆变电路及滤波电路的仿真模型，在验证各独立模块有效性的基础上，将各模块组合为光伏发电系统，通过Simulink中的Powergui模块对光伏发电系统仿真模型的输出波形进行了快速傅里叶分析，可知输出波形符合要求，表明了模型的有效性。
参考文献：
[1]张海龙. 中国新能源发展研究[D].吉林大学，2014.
[2]张雯，刘瑞丰，刘静，等. 基于多影响因素分析的光伏发电成本及走势预测模型[J]. 陕西电力，2013，41（11）：17-20.
[3]Zhang Wen，Liu Ruifeng，Liu Jing，et al. Probe into Cost and Trend Forecast Model of Photovoltaic Power Generation Based on Multiple Factors Analysis [J]. Shanxi Electric Power，2013，41（11）：17-20.
[4]陈伟，王鹏，吴刚. 蓄电池和超级电容储能的独立光伏系统能量管理研究[J]. 陕西电力，2014，42（7）：9-13.
[5]Chen Wei，Wang Peng，Wu Gang. Study on stand-alone PV System Energy Management of Battery & Super Capacitor [J]. Shanxi Electric Power，2014，42（7）：9-13.
[6]李琛. 基于单极性倍频SPWM调制的逆变电源系统研究[J]. 宁夏工程技术，2009，8（3）：197-200.
[7]Li Chen. Research of inverter power system based on unipolar & frequency multiplication SPWM [J]. Ningxia Engineering Technology，2009，8（3）：197-200.
[8]杨永恒，周克亮. 光伏电池建模及MPPT控制策略[J]. 电工技术学报，2011，26（s1）：229-234.
[9]Yang Yongheng，Zhou Keliang. Photovoltaic Cell Modeling and MPPT Control Strategies [J]. TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY，2011，26（s1）：229-234.
[10]苏建徽，余世杰，赵为，等. 硅太阳电池工程用数学模型[J]. 太阳能学报，2001，22（4）：409-412.
[11]Su Jianhui，Yu Shijie，Zhao Wei，et al. Investigation on Engineering Analytical Model of Silicon Solar Cells [J]. ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA，2001，22（4）：409-412.
[12]Baltas P，Tortoreli M，Russell P E. The Arizona State University Photovoltaic Designer Program（ASUPVD）[C]// National Conference on Microcomputers Applications on Conservation and Renewable Energy. 1986.
[13]钱军，李欣然，王玲，马亚辉.面向负荷的光伏电池和燃料电池建模及其等效描述[J].电网技术，2011，35（04）：135-142.
[14]Qian Jun，LI Xinran，WANG Ling，MA Yahui. Load Modeling Oriented Modeling of Photovoltaic Cell and Fuel Cell and Its Equivalent Description[J]. Power System Technology，2011，35（04）：135-142.
[15]张凌.单相光伏并网逆变器的研制[D].北京：北京交通大学，2007
[16]贺映光，任小洪等.单相PWM 逆变器输出滤波器优化设计[J].电气传动，2010，40（11）：33-35
[17]HE Yingguang，REN Xiaohong，et al. Optimum Design of Filter for Single-phase PWM Inverter[J]. ELECTRIC DRIVE，2010，40（11）：33-35GB／T 14549 93电能质量公用电网谐波[S]. 北京
作者简介：
张万月（1991—），男，山东聊城人，硕士，主要研究方向为输电运检、新能源接入。
论文作者:张万月1,薛涛1,齐永杰2,田智多1,夏天1
论文发表刊物:《河南电力》2018年2期
论文发表时间:2018/6/13
标签：光伏论文; 电路论文; 电压论文; 系统论文; 波形论文; 模型论文; 电池论文; 《河南电力》2018年2期论文;