２０１４年第５期 文章编号：１００９—２５５２（２０１４）０５—００２１—０３ 中图分类号：ＴＰ３９１；Ｎ９４５．１３ 文献标识码：Ａ 基于ＭＡＴＬＡＢ的光伏离网系统仿真研究 易映萍，余学文，唐达峰 （上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海２０００９３） 摘 要：介绍了单相光伏离网发电控制仿真系统，采用ＤＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＡＣ两级拓扑结构对光伏 离网系统进行了研究和设计。研究光伏组件、输入滤波电容和离网逆变器之间的耦合关系，通 过双闭环控制策略，实现直流母线电压稳定以及逆变器稳定输出。在ＭＡＴＬＡＢ仿真环境下，对 所设计的光伏离网系统进行了仿真，仿真结果表明该方案和控制策略的正确性。 关键词：光伏离网系统；能量耦合；ＰＩ调节；ＭＡＴＬＡＢ仿真 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ ＹＩ Ｙｉｎｇ—ｐｉｎｇ，ＹＵ Ｘｕｅ—ｗｅｎ，ＴＡＮＧ Ｄａ－ｆｅｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－ＥｌｅｅｔＨｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ＰＶ ｐｏｗｅｒ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＤＣ／ ＤＣ ａｎｄ ＤＣ／ＡＣ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ＰＶ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ． Ｉｔ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｓｔａｂｌｅ ＤＣ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ＰＶ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引言 随着传统能源的紧缺以及对能源需求的日益增 长，新能源的开发和应用已经成为当今世界发展的 ｌ 两级式光伏离网发电系统 １．１主电路拓扑结构 光伏离网系统主电路拓扑如图１所示，整个系 统由太阳能光伏电池、ＤＣ／ＤＣ电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电 路构成。由于光伏阵列的输出电压比较小，而离网 必然趋势。以风能和太Ｉｔｌｔ为主的新能源在今后将 会有长足的发展。太阳能以其清洁、无污染、适用地 域广泛的优势，将成为２ｌ世纪最重要的能源之一。 光伏发电在未来的发电系统中也将占据越来越重要 的地位。光伏发电作为最具发展前景的新能源技术 之一，近年来得到了迅速的发展…。 输出电压是２２０Ｖ ＡＣ，为满足逆变器输入电压的需 要，应用前级ＢＯＯＳＴ电路将光伏阵列输出电压升高 到逆变离网所需要的水平，应用第二级全桥逆变电 路完成从直流电到交流电的离网逆变 Ｊ。其中 Ｌｌ、ＶＴ、ＶＤ组成ＤＣ／ＤＣ电路部分。ＤＣ／ＡＣ部分为 由于光伏发电输出均为分散的直流电，需要 将其并人交流电网才能实现大规模应用。但建设 大型的光伏并网电站需要庞大的占地面积和投 资，且需要专人维护。中小型的光伏发电设备在 离网设备中已有许多应用，如路灯、信号灯、发射 机等。因此本文通过ＭＡＴＬＡＢ建立了整个离网系 统的仿真模型。 ４个ＭＯＳＦＥＴ构成的单相全桥逆变电路，经过Ｌｓ、 Ｃｓ组成的ＬＣ滤波器滤波后并网。其中，Ｃｐｖ为光 收稿日期：２０１３一Ｏ５—２４ 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１２ＡＡ０５０２０６） 作者简介：易映萍（１９６７一），女，副教授，研究方向为电力及电子技 术应用。 一２ｌ一 电池母线电容，Ｃｄｃ为母线支撑电容。 式中：ｄ为开关管占空比；Ｔ为开关周期；Ｕ 为电容 两端电压。ＢＯＯＳＴ变换器的开关频率远高于工频 频率 ，因此逆变器输入的瞬时功率为： Ｐ＝ｅＬ （７） Ｐ、 则逆变器一个周期输人能量 可表示为： ，ｔ＋ｒ Ｅ Ｊ ，ｐｄ￡ 图１ 光伏离网系统主电路拓扑 （８） 所以，只要给定占空比ｄ和开关周期 ，就可以 精确控制功率。 １．３控制策略 １．２能量耦合与功率控制 图２为光伏离网逆变器系统的功率关系示意 图，其中，Ｐ 为光伏组件输出功率；Ｐ 为离网逆变器 系统主控制图如图３所示。前级主要实现将电 输人功率；Ｐ 为滤波电容的耦合功率。 唧｜｜｜｜ 书 光逆伏变离器网 负 载 光伏阵列 图２光伏爵网逆变器系统功率 假设负载为阻性负载，逆变器输出功率因素为 １，交流侧电压和电流可以表示为： Ｕ。＝Ｕｏ￣ｓｉｎｔｏｔ （１） ｉ。＝Ｉｏ ｓｉｎｔｏｔ （２） 式中： 、，０分别为离网电压和电流；ｔｏ为电网角频 率。由式（１）、（２）得到逆变器的输出功率为： ｎ Ｐ。＝／￥ｏ 。＝ｐ ｓｉｎ ｔｏｔ＝ （１一ｃｏｓ２ｔｏｔ） （３） 所以在交流侧存在两倍于电网频率的功率脉动， 如果没有采取主动功率解耦，光伏组件与逆变器之间 就需要大容量的电解电容以平衡直流侧和交流侧的 瞬时功率差 Ｊ。根据能量守恒，光伏组件、输入滤波 电容和逆变器之间的能量耦合关系，可表示为： ．Ｈｒ ＝Ｊ Ｊ Ｐ ｄｔ＋△Ｅ ｆ （４） 式中：Ｅ为一个周期内逆变器的输入能量；Ｔ为功率 周期；△Ｅ 为一个周期内输入滤波电容能量的变化 量。如果忽略逆变损耗，Ｅ为一个周期内逆变器的 输出能量。ＢＯＯＳＴ变换器工作于ＣＣＭ模式，每个 开关周期内ＢＯＯＳＴ变换器的输入能量为： ｅ ＴＬａｔ１，．．￣２ （５） 式中： 为ＢＯＯＳＴ变换器电感；ＡｉＬ为ＢＯＯＳＴ变换 器功率开关导通内的电感电流变化量，可表示为： Ｕｃ ＝ ＝ｄＴ （６） 一２２一 池端电压上升到离网输出２２０Ｖ ＡＣ所需要求的电 压以及直流母线电压的稳定，采用光伏电池电压闭 环控制来提升电压。后级主要实现离网电压频率和 幅值的稳定，采用电压闭环控制。 图３系统主控制图 其具体控制过程为：将直流母线电压实时值 Ｕｄｃ与设定电压Ｕｒｅｆｌ比较，误差通过调节器１控 制，经过ＰＷＭ发生器驱动ＭＯＳＦＥＴ工作。输出电压 实时值Ｕｏ与设定电压Ｕｒｅｆ２比较，误差通过调节器 ２控制，再经过ＰＷＭ发生器驱动逆变器工作。前级 ＢＯＯＳＴ升压电路以输出稳定直流电为控制目标，电 压环由母线基准与实际母线值比较后经过ＰＩ调节 器调节，再与三角波调制得到ＰＷＭ控制脉冲波，从 而稳定ＢＯＯＳＴ电路的输出。逆变器逆变电路输出 稳定、高品质的正弦波的交流电为控制目标，首先电 压环由电压基准与实际输出电压值比较后，经过ＰＩ 调节器调节后与三角波调制得到ＰＷＭ控制脉冲 值，从而控制逆变器的输出。 ２仿真结果及分析 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件搭建系统的仿真模 型，同时基于上面的分析，将各个模块组合搭建了光 伏离网全系统的仿真模型 Ｊ，仿真电路相关的参 数设置为：直流母线电压给定值为４００Ｖ，离网输出 电压设定峰值３１ １Ｖ，频率为５０Ｈｚ，ＢＯＯＳＴ变换器的 电感为２．２ｍＨ，直流母线电容为１０００ｐ￣Ｆ，滤波电感 为５．５ｍＨ，滤波电容为３０１．ｚＦ，开关频率为１０ｋ。输 出结果如图４和图５所示。 ４ｏ０ ３ｏ０ ２００ ｌ００ （） 一： ： Ｉ － 一 ｊ ｉ Ｏ．Ｉ ２ ０．１４ ０，ｌ６ ｊ ｊ三 Ｏ．１ ８ ｔ／＊ Ｏ．２ ０．２２ Ｏ．２４ ； ； 直流母线电压（Ｖ） ／ ｌ００ ２ｏ０ ：：，ｌ＼＝＝ ｆ＝、：：，ｌ ：八 氧 八．：拳： ： ：：：Ａ：拳： ； ； ｉ ｉ ｉ ｉ——３０ＨＤ ４００ ｌ ！－图４逆变离网波形 由图４可以看到：逆变器输出的电压、电流波形 电压稳定于４００Ｖ。图６显示离网电流的ＴＨＤ： ０．５４％，质量较好。 保持了较好的正弦度，其相位一致。图５表示母线 图６ Ｆ兀分析结果 ３ 结束语 本文基于仿真源于实际系统设计，而通过仿真 又验证并指导系统设计的这一思想原则，在ＭＡＴ— ＬＡＢ Ｒ２Ｏ１Ｏａ／ＳＩＭｕＬＩＮＫ仿真环境下搭建了单级式 单相太阳能光伏离网发电系统的仿真电路，采用先 拆分再组合的方式搭建仿真电路，该方法对相关的 复杂系统仿真具有一定的借鉴意义。由于各功能模 块相互独立，因此当实际系统有所改变时，仿真系统 也比较容易跟随改动进行仿真，通用性较强。 ：牛 斗 牛 参考文献： ［１］白明，许敏，催新雨，等．基于可再生能源的分布式发电技术的应 用及前景［Ｊ］．节能环保报，２００８（２）：２０—２２． ［２］王兆安，黄俊．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４： １０３—１０６，１５０—１６２． ［３］林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５： １１２—１１５。１８７—１９１． ［４］古俊银，陈国呈．单级式光伏并网逆变器的无电流检测ＭＰＰＴ方 法［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２（９）：３２—２７． ［５］黄忠霖，黄京．电力电子技术的ＭＡＴＬＡＢ实践［Ｍ］．北京：国防 工业出版社，２００９：２６３—２６５． ［６］徐德宏．电力电系统建模及控制［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００７：１８９—１９９． 责任编辑：薛慧心 （上接第２０页） 参考文献： ［１］张静，李莉，陈宜金，等．ＧＩＳ在公共安全领域的应用［Ｊ］．地理信 息世界，２００６（４）：４８—５Ｏ． 微内核聚集产生微内核群，实现各种业务应用。 由云计算平台提供多用户、可伸缩、可扩展的框架支 撑，保证软件平台架构的低成本。 ［２］张维平．美国、加拿大、意大利应急管理现状和对中国的启 示［Ｊ］．中国公共安全，２００６（１１Ａ）：１４３—１４９． ［３］黎健．美国的灾害应急管理及其对我国相关工作的启示［Ｊ］．自 然灾害学报，２００６，１５（４）：３３—３８． ４ 结束语 基于云计算的综合应急管理平台以多用户的云 平台为出发点，综合采用各种先进技术，最终提供给 用户一个以专业化、高品质、共性数据资源共享、低 成本为特点的云平台，解决目前公共安全与应急管 理信息平台建设的困境。 ［４］任进．突发公共事件应急机制：美国的经验及其启示［Ｊ］．国家 行政学院学报，２００４（２）：８２—８５． ［５］汤大为，王红伟．突发公共事件应急救援决策支持系统研 究［Ｊ］．中国公共安全，２００６（１０Ａ）：１３２—１３５． 责任编辑：薛慧心 一２３—
