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摘 要：太阳能发电技术已成为当今新能源开发利用的一项重要课题，光伏并网发电是其中比较有代表性和发展前景的新技术，主要核心部件是光伏并网逆变器。结合Matlab/Simulink仿真实验，通过建立光伏模块、满功率跟踪控制器数学模型以及仿真模块，分析光伏模块所展示出的电气特性，分别提出集成光伏模块和满功率跟踪控制的并网逆变器模型以及电流滞环跟踪控制的数学模型和控制方案，验证满功率跟踪算法及光伏模块数学模型的有效性，并通过对外界环境变化进行仿真来查看光伏并网逆变器的动态响应过程。
关键词：单相光伏 并网逆变器 固定滞环 电流控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-037-02
1引言
面对生态环境日益破坏和能源紧缺的双重压力下，新能源的开发和利用成为全世界共同关注的重大课题，其中太阳能做为健康绿色能源一直备受关注，光伏并网发电系统得到迅速发展，因此采用并网逆变器做为接口设备的控制技术也成为理论热点。由于并网逆变器会受到许多非线性因素的干扰，其输出的电流经常出现波形不稳的现象，因此实验中如果把并网逆变器输入替换为直流电源，将无法显示出并网逆变器受温度、光线强弱等自然环境的影响。本文首先建立了光伏模块数学模型，通过电气参数设置来调节温度、光照强度，实验结果也充分表明，温度和光照强度的不但会对并网逆变器输出的电流造成影响，而且还进一步显示出假如外界条件突然发生大幅变化将直接导致逆变器所连接的电网可能出现解列的问题。本文所谈论的并网型光伏逆变器系统结构是通过串并联方式组成的光伏模块阵列，单相光伏并网逆变器，低压电网与无并网型变压器，通过对光伏并网逆变器输出模型进行严格的系统仿真实验，结果表明不但光伏并网发电系统能提供满功率电流控制，而且在光伏并网型逆变器的固定滞环宽度控制的跟踪作用下，光伏并网逆变器所提供的电流和光伏并网系统提供的电压同相，且功率因数始终保持为1。
2单相光伏并网型逆变器工作原理
2.1 光伏逆变器结构
单相光伏发电拓扑结构如图1所示。该系统是双级拓扑结构，经太阳能光伏模块阵列通过升压变换器最后得到逆变器额定电压。
2.2光伏阵列数学模型
光伏模块阵列的数学方程用来描述电流、功率和电压曲线：pv曲线，iv曲线。
通过对（1）式进行变形，现将IV曲线中的（Vref，Iref）参考点转移到新运动点上（V，I）。
结合以上数学模型，运用Matlab建立光伏模块如图1所示的仿真模型，通过设置界面不断调节光照强度和温度等外界条件参数以及光伏模块其他电气参数，来实现通用性建模。根据光伏模块生产厂商所提供的数据信息进行仿真实验，分析光伏模块的电气特性，我们可以清楚的发现，数学建模下所得到的仿真曲线能够与生产商所提供的达到一致，这就完全证明了仿真实验模型与光伏模块模型的实用效果。
2.3 满功率点跟踪
由于光伏并网逆变器自身的特殊性，光伏并网发电系统要受到很多因素影响，例如外界环境温度变化，太阳光线照射强度以及负载情况等。光伏发电系统在一定的环境温度和光照强度下，可以工作在不同的输出电压下，但却只有满足输出电压为Vop时，并网逆变器系统才会达到满功率输出状态，此时观察光伏模块输出电压功率曲线刚好到达工作点最大值，我们通常将其称为满功率点，或者最大功率点。通过实时检测光伏模块阵列的输出功率作为满功率点的跟踪控制方案，并采取特定的光伏并网系统控制算法来测算当前条件下并网发电系统可能达到满功率输出，通过不断改变阻抗值情况来确保符合满功率输出要求。当前满功率点跟踪控制的方法主要有：电导增量法，模糊逻辑控制算法，滞环比较法，干扰观测法，最优梯度法，神经元网络控制法以及各种改进算法等。本文所采用的是比较常用的电导增量法，其原理是光伏模块阵列的PV曲线在满功率值Pmax点的斜率为0，通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导增量来调整控制信号。电导增量法不但控制精确，而且响应速度快，非常适合环境条件变化快的地方。
3固定滞环电流控制
并网发电系统固定滞环输出电流的宽度控制方案是在逆变器输出电流上升与下降过程中，始终保证并网逆变器固定滞环电流宽度不会发生很大的变化。但如果光伏并网逆变器的开关频率瞬时造成的变化情况，将会直接导致并网发电系统滤波器的设计制造非常困难。国外曾有学者提出过通过自适应式动态调整并网发电系统固定滞环电流宽度的策略，能很好的起到固定开关频率始终保持不变的作用；还有就是通过在固定滞环电流控制中引入开关频率反馈的准固定滞环跟踪控制，也可以实现并网发电系统固定滞环保持开关频率固定不变。
4仿真结果分析与实验结论
4.1仿真系统分析
光伏并网发电系统是通过满功率输出跟踪电流控制来实现同并网逆变器系统输出负载相匹配的，电流经过并网逆变器滤波系统后与电网并联运行为负载供电。通过在Matlab/Simulink系统仿真平台上进行并网系统满功率跟踪和并网发电系统的仿真实验，单相光伏并网逆变器系统模型，并网发电系统模型以及系统负载模型，通过建立一个光伏并网逆变器系统运行主控电路模型，采用固定滞环宽度的跟踪电流控制策略，不断调整固定滞环电流宽度。
4.2实验结论
单相光伏并网发电系统目前存在的关键问题是如何能够在数学模型条件下建立光伏并网逆变器模型，然后凭借改善创新的新式电导增量算法完成满功率跟踪电流控制，通过固定滞环电流跟踪控制方法，完成光伏并网逆变器输出固定宽度的并网电流，为了使通过光伏并网发电系统的并网逆变器控制电流与电压始终保持同相，需调整并网逆变器的功率因数全程控制在1的状态。
单相光伏阵列模块和固定滞环跟踪电流控制方案以及满功率跟踪电网的仿真模块，来实时及时模拟外界环境参数变化，比如太阳光线照射强度和环境温度上下波动，然后按照太阳能模块生产厂商所给的数据资料，反复的调整光伏并网逆变器系统的电器特性参照值，直到其达到最优状态，以最大限度的模仿动态环境对于并网发电系统的响应情况，为单相光伏并网发电滤波器系统的参数设计、并网逆变器控制器的设计制造以及逆变器并网输出电能质量分析提供重要的实验数据参考依据。
参考文献：
[1] 顾和荣.电流滞环跟踪控制技术研究[J].中国电机工程学报，2011，26（9）：108-112.
[2] 史雪梅.隶属云和隶属云发生器[J].计算机研究与发展，2010，32（6）：15-20.
[3] 刘常昱.论正态云模型的普适性[J].中国工程科学，2010，6（8）：28-34.
[4] 刘建政.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2011：25-29.
[5] 杨旭.一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法[J].电工技术学报，2011（3）：141-143.
关键词：单相光伏 并网逆变器 固定滞环 电流控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）012-037-02
1引言
面对生态环境日益破坏和能源紧缺的双重压力下，新能源的开发和利用成为全世界共同关注的重大课题，其中太阳能做为健康绿色能源一直备受关注，光伏并网发电系统得到迅速发展，因此采用并网逆变器做为接口设备的控制技术也成为理论热点。由于并网逆变器会受到许多非线性因素的干扰，其输出的电流经常出现波形不稳的现象，因此实验中如果把并网逆变器输入替换为直流电源，将无法显示出并网逆变器受温度、光线强弱等自然环境的影响。本文首先建立了光伏模块数学模型，通过电气参数设置来调节温度、光照强度，实验结果也充分表明，温度和光照强度的不但会对并网逆变器输出的电流造成影响，而且还进一步显示出假如外界条件突然发生大幅变化将直接导致逆变器所连接的电网可能出现解列的问题。本文所谈论的并网型光伏逆变器系统结构是通过串并联方式组成的光伏模块阵列，单相光伏并网逆变器，低压电网与无并网型变压器，通过对光伏并网逆变器输出模型进行严格的系统仿真实验，结果表明不但光伏并网发电系统能提供满功率电流控制，而且在光伏并网型逆变器的固定滞环宽度控制的跟踪作用下，光伏并网逆变器所提供的电流和光伏并网系统提供的电压同相，且功率因数始终保持为1。
2单相光伏并网型逆变器工作原理
2.1 光伏逆变器结构
单相光伏发电拓扑结构如图1所示。该系统是双级拓扑结构，经太阳能光伏模块阵列通过升压变换器最后得到逆变器额定电压。
2.2光伏阵列数学模型
光伏模块阵列的数学方程用来描述电流、功率和电压曲线：pv曲线，iv曲线。
通过对（1）式进行变形，现将IV曲线中的（Vref，Iref）参考点转移到新运动点上（V，I）。
结合以上数学模型，运用Matlab建立光伏模块如图1所示的仿真模型，通过设置界面不断调节光照强度和温度等外界条件参数以及光伏模块其他电气参数，来实现通用性建模。根据光伏模块生产厂商所提供的数据信息进行仿真实验，分析光伏模块的电气特性，我们可以清楚的发现，数学建模下所得到的仿真曲线能够与生产商所提供的达到一致，这就完全证明了仿真实验模型与光伏模块模型的实用效果。
2.3 满功率点跟踪
由于光伏并网逆变器自身的特殊性，光伏并网发电系统要受到很多因素影响，例如外界环境温度变化，太阳光线照射强度以及负载情况等。光伏发电系统在一定的环境温度和光照强度下，可以工作在不同的输出电压下，但却只有满足输出电压为Vop时，并网逆变器系统才会达到满功率输出状态，此时观察光伏模块输出电压功率曲线刚好到达工作点最大值，我们通常将其称为满功率点，或者最大功率点。通过实时检测光伏模块阵列的输出功率作为满功率点的跟踪控制方案，并采取特定的光伏并网系统控制算法来测算当前条件下并网发电系统可能达到满功率输出，通过不断改变阻抗值情况来确保符合满功率输出要求。当前满功率点跟踪控制的方法主要有：电导增量法，模糊逻辑控制算法，滞环比较法，干扰观测法，最优梯度法，神经元网络控制法以及各种改进算法等。本文所采用的是比较常用的电导增量法，其原理是光伏模块阵列的PV曲线在满功率值Pmax点的斜率为0，通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导增量来调整控制信号。电导增量法不但控制精确，而且响应速度快，非常适合环境条件变化快的地方。
3固定滞环电流控制
并网发电系统固定滞环输出电流的宽度控制方案是在逆变器输出电流上升与下降过程中，始终保证并网逆变器固定滞环电流宽度不会发生很大的变化。但如果光伏并网逆变器的开关频率瞬时造成的变化情况，将会直接导致并网发电系统滤波器的设计制造非常困难。国外曾有学者提出过通过自适应式动态调整并网发电系统固定滞环电流宽度的策略，能很好的起到固定开关频率始终保持不变的作用；还有就是通过在固定滞环电流控制中引入开关频率反馈的准固定滞环跟踪控制，也可以实现并网发电系统固定滞环保持开关频率固定不变。
4仿真结果分析与实验结论
4.1仿真系统分析
光伏并网发电系统是通过满功率输出跟踪电流控制来实现同并网逆变器系统输出负载相匹配的，电流经过并网逆变器滤波系统后与电网并联运行为负载供电。通过在Matlab/Simulink系统仿真平台上进行并网系统满功率跟踪和并网发电系统的仿真实验，单相光伏并网逆变器系统模型，并网发电系统模型以及系统负载模型，通过建立一个光伏并网逆变器系统运行主控电路模型，采用固定滞环宽度的跟踪电流控制策略，不断调整固定滞环电流宽度。
4.2实验结论
单相光伏并网发电系统目前存在的关键问题是如何能够在数学模型条件下建立光伏并网逆变器模型，然后凭借改善创新的新式电导增量算法完成满功率跟踪电流控制，通过固定滞环电流跟踪控制方法，完成光伏并网逆变器输出固定宽度的并网电流，为了使通过光伏并网发电系统的并网逆变器控制电流与电压始终保持同相，需调整并网逆变器的功率因数全程控制在1的状态。
单相光伏阵列模块和固定滞环跟踪电流控制方案以及满功率跟踪电网的仿真模块，来实时及时模拟外界环境参数变化，比如太阳光线照射强度和环境温度上下波动，然后按照太阳能模块生产厂商所给的数据资料，反复的调整光伏并网逆变器系统的电器特性参照值，直到其达到最优状态，以最大限度的模仿动态环境对于并网发电系统的响应情况，为单相光伏并网发电滤波器系统的参数设计、并网逆变器控制器的设计制造以及逆变器并网输出电能质量分析提供重要的实验数据参考依据。
参考文献：
[1] 顾和荣.电流滞环跟踪控制技术研究[J].中国电机工程学报，2011，26（9）：108-112.
[2] 史雪梅.隶属云和隶属云发生器[J].计算机研究与发展，2010，32（6）：15-20.
[3] 刘常昱.论正态云模型的普适性[J].中国工程科学，2010，6（8）：28-34.
[4] 刘建政.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2011：25-29.
[5] 杨旭.一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法[J].电工技术学报，2011（3）：141-143.