基于Simulink的光伏发电Boost三相逆变并网系统的研究

石涛，李国银，蔡维，谷翠军

（1.重庆轨道四号线建设运营有限公司，重庆，401133；2.重庆中车四方所科技有限公司，重庆，401133）

0 前言

我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，也是少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注[1-2]，而太阳能光伏发电的诸多优点，使其研究开发、产业化制造技术以及市场开拓已经成为令世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。

目前，有很多的学者外对光伏并网发电逆变系统已经开展了深入的探究，研究了几类电路形式[3]，主要有:(1)利用三相逆变器实现光伏并网。这种方法具有简单的结构、便宜的成本等优点，但是此结构的输入直流量比较大，且没有采用MPPT控制策略，导致电路形式不易改进。因此在功率比较大的光伏系统中应用较多[4]。(2)给光伏逆变器配备工频变压器，相比第一种方法，该方法结构稍微复杂，但这种电路拓扑可以实现高频控制，所以适用于高频电路。(3)通过高频逆变，使得光伏阵列转变为高频的交流电压，进一步整流后滤波得到最终的直流电。对该直流电进行工频逆变[5]。

本论文首先搭建光伏阵列数学模型，做为整个系统的电源输入信号。然后，在建立光伏序列数学与仿真模型的基础上，结合了MPPT和下垂控制控制方法，实现闭环控制，确保PWM发波可以实时跟踪系统性能给定，通过切换控制可以使得系统能够运行在最佳状态。其次，搭建DCDC Boost电路实现升压，将光伏板产生的电压升高，其输出电压作为三相逆变电路的输入。设计三相逆变电路，将直流电逆变为三相A、B、C交流电，并将其接入电网，实现并网调节。最后，为了验证提出的方法与结构设计的有效性和正确性，最后根据建立的整个三相光伏发电并网系统的MATLAB仿真模型，对之前所叙述的内容进行了仿真验证，结果证明了所提方法的有效性与正确性。

1 光伏电池阵列数学模型的搭建

■1.1 MPPT控制算法的设计

MPPT(Maximum Power Point Trace)控制技术又称最大功率点追踪技术，即与一条I-V曲线相对应，就会有一个太阳能电池的最大功率输出点。光伏电池输出特性曲线(I-U及P-U曲线)如图1所示，输出特性曲线是对光伏电池进行控制时的重要依据。很多MPPT方法利用P-U曲线先增后减的单峰函数特性，以dP/dU=0为MPPT控制目标。

图1 光伏电池输出特性曲线

光伏电池在任意光强与温度下的输出特性曲线，输出特性曲线随光强与温度变化趋势如图2所示，其中Isc为光伏电池短路输出电流，Uoc为光伏电池开路电压，Im为光伏电池最大功率点电流，Um为光伏电池最大功率点电压。在一般的光伏并网系统中，最大功率点跟踪多用于阵列后端的升压变换器(亦称Boost变换器)或降压变换器(亦称Buck变换器)，此时可直接控制其输出电压以调节输出功率，借此来获得扰动观察信号实现MPPT控制。

图2 光伏电池输出特性曲线随光强S和温度T变化趋势

■1.2 Boost升压电路的设计

Boost电路实现升压，将光伏板产生的电压升高，其输出电压作为三相逆变电路的输入，升压电路如图3所示，其中，电感的作用是将电能和磁场能相互转换的能量转换器件，当MOS开关管闭合后，电感将电能转换为磁场能储存起来，当MOS断开后电感将储存的磁场能转换为电场能，且这个能量在和输入电源电压叠加后通过二极管和电容的滤波后得到平滑的直流电压提供给负载，由于这个电压是输入电源电压和电感的磁砀能转换为电能的叠加后形成的，所以输出电压高于输入电压，既升压过程的完成；肖特基二极管主要起隔离作用，即在MOS开关管闭合时，肖特基二极管的正极电压比负极电压低，此时二极管反偏截止，使此电感的储能过程不影响输出端电容对负载的正常供电；因在MOS管断开时，两种叠加后的能量通过二极向负载供电，此时二极管正向导通，要求其正向压降越小越好，尽量使更多的能量供给到负载端。

图3 Boost升压电路

■1.3 三相逆变电路接电阻负载和电网

考虑到将电网看作是稳定的电压源，为了防止产生并网电流的畸变和电路回路的环流，一般情况下使用电流控制的电压源型逆变器作为主电路。

众所周知，逆变器是根据开关管的导通来实现能量转换的，而开关管的导通信号是由调制波与载波相比较得到的。常用的调制方法有单/双极性正弦脉冲宽度调制、空间矢量脉冲宽度调制、指定谐波消除脉冲宽度调制，其中最为实用且最好的调制方法为电压型SVPWM调制算法，该方法的思想虽来源于交流异步电机变频调速，但现在已广泛用于交流调速以外的三相电力电子变换和控制系统中。

为了便于分析与理解，对三相并网逆变电路进行简化，设直流母线端的母线电压为Udc，可以得到简化电路为图4所示。

图4 三相并网发电系统拓扑结构图

2 MATLAB/Simulink仿真搭建及验证

■ 2.1 光伏电池阵列建模

光伏电池是光伏发电系统发电源，图5为典型光伏电池模型。光伏电池模型由等效光控电流源、并联二极管、串并联电阻组成。

图5 光伏电池单元模型

光伏电池由于光伏效应，接受光照时会产生光生电流Iph，其值随光辐射强度增强而增大，随光伏电池温度增大而减小，使光伏电池输出外特性随之变化；光伏电池本质上为PN结，存在等效并联二极管电流Id，也称为暗电流；Id的大小反映了光伏电池PN结在当前环境下所能产生的总扩散电流。Rsh为光伏电池的串联等效电阻，也称为旁路电阻，产生漏电流Ish，一般由于材料的不纯等电池体内缺陷造成；Rs为串联等效电阻，称为等效内阻，由光伏电池的体电阻、表面电阻及接触电阻等组成。

由图6可以看出，光伏阵列的输出电流大约为28A，其电压有最大值300V逐渐减小至50V。

图6 光伏阵列的输出电流、电压波形

■ 2.2 Boost升压电路

Boost电路的仿真模型如图7所示，Boost电路的电感为30mH，输入侧电容为100μF，输出侧稳压电容为2200μF，其输入输出电压波形如图8所示。

图7 Boost电路的仿真模型

图8 Boost电路的输出电压波形

■2.3 三相电压型逆变并网

三相逆变电路并网仿真模型如图9所示中，仿真中输出电流经过RLC滤波，电阻R的值为1W，电感L的值为1mH，电容C的值为1μF，无功补偿为10kvar，三相变压器容量为100kVA。三相输出电压、电流波形分别如图10和11所示，从图中可以看出，输出电流幅值为6 28A，且A、B、C三相电流互差120度，输出电压幅值为4300V，且A、B、C三相电压互差120度，电压电流的正弦度均良好。

图9 三相逆变电路并网仿真模型

图10 三相并网电压波形

3 结束语

光伏发电及直流微电网供电技术具有广阔的发展前景，本文研究了以光伏发电系统为发电源组成的三相逆变并网电能控制技术，包括各子系统的结构、稳定性、控制策略。根据光伏电池模型与输出特性，建立相应的仿真模型并结合MPPT和下垂控制策略实现Boost升压的PWM控制。设计了三相逆变电路并对电网配置进行了设置，最终搭建MATLAB/Simulink模型实现了基于光伏升压三相逆变并网的功能。

图11 三相并网电流波形