Electrical Engineering and Automation December2015, Volume 4, Issue 4, PP.69-78
Research on Control System of Single-Phase Independent Photovoltaic Power System Junkai Zhang Department of technical support and equipment, PLA Xi'an Academy of Telecommunications, Xi’an 10106, China Email: Sby163@163.com
Abstract In this paper the DC - DC and DC - AC two level structures is designed based on single-phase independent photovoltaic system with no transformer. The related parameters are designed by analysis, and the system has the function of maximum power tracking, battery charging and discharging, and inverter. The construction of the simulation system is completed and verifies the validity of the theoretical analysis. The system design which is a reference for the design of the large independent photovoltaic system. Keywords: Photovoltaic; Control System; DC-DC; DC-AC
单相光伏独立发电系统控制研究 张俊凯 西安通信学院 装备技术保障教研室，陕西 西安 710106 摘 要：本文针对单相光伏独立系统采用无变压器形式设计出 DC-DC 和 DC-AC 两级结构，并对其相关参数进行设计， 使其具备最大功率跟踪、蓄电池充放电、逆变等多个功能环节，完成了仿真系统的搭建并验证了理论分析的正确性。该 系统的设计为大型独立光伏系统的设计提供有益参考。 关键词：光伏发电；控制系统；DC-DC；DC-AC
引言 能源问题随着经济的发展已成为当今世界的主要问题，且环境污染日益严重。面对如此严峻的问题， 能源结构势必改变，可再生能源课题的开发与研究越来越受到重视。太阳能作为一种可再生能源，具有清 洁、经济、覆盖量大等优点。因此，有关光伏发电技术的研究成为国内外学者目前都关注的领域。 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池将太阳能转化成为电能后通过各种辅助设备对电能变换的发电 系统。光伏发电系统一般分为两种类型：独立光伏发电系统和并网发电系统。本文的研究对象是单相独立 光伏发电系统，独立发电系统结构包括光伏电池阵列、控制器、蓄电池逆变器、负载等部分。如图 1 为独立 发电系统的示意图[1-2]。 光 伏 电 池 阵 列
蓄电池
逆变器
负载
控制器
图 1 独立光伏发电系统示意图
太阳能光伏电池阵列是能源转换中整个独立发电系统的第一个环节，也是最重要的一个环节。它能够 - 69 www.ivypub.org/eea
给光伏发电系统中的逆变器负载提供电能。它通过串并联成为太阳能光伏阵列组。太阳能电池按照其晶体 的机构可以分 3 种基本类型：第一种晶体硅电池；第二种非晶硅电池；第三种非硅电池。 蓄电池能够为整个独立光伏发电系统提供备用的电源，它是将太阳能通过电能的方式用化学能储存在 蓄电池中，用来供应光伏电池在不发电或发电功率不够的情况下的负载用电。由于光伏电池出力的不稳定， 必须配置一般能够正常工作的负荷[3]。 控制器发出控制信号使光伏电池和蓄电池都能够合理工作且满足系统的控制要求，且能够实现光伏阵 列以尽可能大的工作效率运行。控制器一般分为 2 个部分，第一个部分就是对蓄电池的充放电控制，第二部 分就是根据负载的电能要求控制光伏电池组件和负载输出的电能。通过控制器对蓄电池的充放电控制可以 防止或避免反向充电，避免电池过充电和过放电，从而达到保护电池的目的[4]。
1
独立发电系统结构拓扑 从光伏发电系统的主电路图可知，该系统由光伏电池发出的功率一方面经过蓄电池储存起来，另一方
面通过 DC/DC 升压为适合逆变的电压满足负载用电。独立发电系统结构如图 2 所示。 BUCk 变换
Boost 变换
光伏电池
蓄电池
DC/DC
DC/AC
负载
图 2 独立发电系统结构图
在独立发电系统的逆器模块中，逆变器一般分为工频变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式与无变压 器绝缘方式 3 种模式。如图 3(a)、3(b)、3(c)所示。 工频变压器
DC/AC
光伏电池
负载
(a)工频变压器隔离方式
光伏电池
DC/AC
高频 变压 器
AC/DC
DC/AC
负载
(b)高频变压器隔离方式
光伏电池
DC/DC
DC/AC
负载
(c)无变压器隔离方式
图 3 独立发电系统主电路结构
无变压器主电路形式，不像工频变压器和高频变压器那样采用变压器进行输入与输出隔离，只要使用 合适的方法，还是能够达到理想的结果。该主电路是升压部分和高频 SPWM 的逆变两部分，这种电路形式 比工频变压器的主电路简单，在适当的控制方式下能够满足较宽的直流输入的范围，并且针对光伏出力的 不稳定能够对直流链进行适时调整以保证逆变侧的输入电压基本稳定。该电路形式具有以下优点：运行有 安全性，占用空间不大，质量小，效率高，价格便宜。因此，无变压器形式的电路将成为日后主要的变流 方式。本文就采用了无变压器电路结构实现设计要求[5-6]。 - 70 www.ivypub.org/eea
2
工作原理
2.1 前级 Boost 电路工作原理 本文的独立光伏发电系统结构的第一级直流-直流转换器使用的是 Boost 升压，其工原理图及工作波形 如图 4 所示。在本系统中 Boost 电路工作在连续导通模式。 L1
VD
iG
i1 +
C
iG
+
R1
A
E
-
V
0 i1
t
I1
0
t
图 4 Boost 电路及其工作波形图
当电路实在稳定的状态下的情况下，在一个周期的范围内，能量守恒原则，电感释放的能量和电感自 己存储的能量是完全相等的，即得到：
EI1Ton U c E I1Toff
(1)
变换式(1)就可以得到： Uc
其中 T Toff ，故
Ton Toff Toff
E
T E Toff
(2)
T T 1 ，能够推断出输出的电压 U c >输入电压 E ，该电路为升压 Boost 电路。 表 Toff Toff
示的是电压升高的比例，调节该比例的大小，就能够改变输出电压 U c 的大小，将电压升高的比例的倒数写 为 ，即 Toff / T ，设 Ton / T 能够得到下面的如下关系， 1 。Boost 升压电路式为： Uc
1
E
1 E 1
(3)
2.2 后级单相全桥逆变器的工作原理 在本文的设计中，DC/AC 逆变器用采用单相全桥逆变电路，逆变电路的拓扑结构如图 5 所示。 V3
V1 +
C1
Uc -
VD3
L
VD1
i gird
A VD2
V2
V4
Us
RL
VD4
图 5 单相全桥逆变电路拓扑的结构
图中，前级 Boost 电路输出的直流电压是 U c ，V1、V2、V3、V4 均为 IGBT， U s 是逆变器的输出电压， igird 为逆变器的输出电流， RL 是负载。单相全桥逆变的主电路工作状态根据 4 个开关管功率器件的开关动
作先后顺序，逆变器的工作模式有 4 种情况。下面分别对这 4 种工作模式进行分析。 1)
当功率器件 V1 、 V4 导通时，光伏阵列输出的直流电压加在逆变器两端，经过逆变后接入负载，此
时电流正半周增大，输出端电感储能增加。 - 71 www.ivypub.org/eea
2)
当功率器件 V1 、 V3 导通时，光伏阵列输出能量在直流侧对电容充电，逆变器输出侧由于储能电感
的存在，电流仅有电感提供，此供电回路由电感、 V1 和 V3 的反并联二极管组成回路，电流慢慢减小，电感 储能也减小。 3)
当功率器件 V2 、 V3 导通时，光伏阵列输出的直流电压反向加在逆变器两端，此时负半周电流逐渐
增大。 4)
当功率器件 V2 、 V4 导通时，光伏阵列输出能量在直流侧对电容充电，逆变器输出侧由于储能电感
的存在，电流仅由电感提供，此供电回路由电感、 V2 和 V4 的反并联二极管组成回路，电感储能会随着负半 周电流的减小而减小。
3
光伏发电系统控制器设计
3.1 逆变器建模 本文中逆变器采用的是基于单相全桥结构的拓扑，逆变器的结构是由直流侧、单相全桥和 L 滤波电路 组成。 根据图 5，电感 L 和线路的等效串联电阻为 RL ，直流输入电压为 U dc ，对于输出端电路，有： L
dI grid dt
U s U L I grid RL
(4)
U s 为逆变输出电压，经拉式变换得： 1 I gird ( s) (U ( s) U L ( s)) G3 ( s)(U ( s) U L ( s)) Ls RL
(5)
G3 ( s) 滤波的传函为：
G3 ( s)
1 Ls RL
(6)
其中，PWM 控制方式为非线性比例环节，其传函为： G2 (s) K pwm
(7)
在控制系统中，负载电压作为扰动信号，于是得到主电路模型如图 6 所示。 U L 扰动
误差控制信号
G2 s
+
— —
G3 s
负载电流 I gird
图 6 逆变主电路的模型
3.2 控制器设计 PI 调节器的传递函数： G(s)
K p s K1 s
PI 调节器的闭环模型如图 7 所示。
- 72 www.ivypub.org/eea
(8)
PI 调节器 给定电流 I ref
+ -
K P s K1 s
K pwm
G1 s
G2 s
1 Ls RL G3 s
电流 I gird
图 7 加入 PI 调节器逆变环节的模型
单相独立发电系统 Boost 变换器的传递函数及校正后的伯德图，如图 8、9 所示。
图 8 Boost 的传递函数伯德图
4
图 9 Boost 校正系统传递函数伯德图
单相光伏独立发电系统相关参数设计
4.1 Boost 电路参数设计 前级 boost 是升压电路，其作用是将电压升到逆变所需的电压，并且能将光伏电池输出的最大功率传输 送给逆变器的直流侧。 1) 电感 L 的选择 根据连续电流的伏安特性，在一周内，电感充放电平衡，所以有： Ui DT (Uo Ui )(1 DT )
(9)
上式中， U i 为输入出电压， U o 为直流侧输出电压，即是直流母线的电压， D 是占空比， T 为开关功率
管的开关周期， DT 为开关功率管的开通时间， 1 DT 为开关功率管的关断时间。 整理上式得到： Ui 1 D
(10)
Uo 1 Ui 1 D
(11)
Uo
电压增益为： AV
如果电压没有任何的损耗，根据功率守恒原理得，输出电能和复杂消耗的电能应该相等。 Pi Po
(12)
在式(12)中， Pi 为输入功率； Po 后级负载 Rn 上所消耗的功率即是输出功率，又 Pi ， Po 有： Pi Ui Ii
(13)
Po U o I o
(14)
则有： - 73 www.ivypub.org/eea
Io 1 D Ii
式(15)中 I i 为输入的平均电流， I o 为负载的平均电流。 di 电感电流为 L L ，于是有： dt U DT di U L L L iL i dt L
(15)
(16)
式(16)中， iL 为电感电流的纹波电流。 假设电感电流的纹波系数 i 为：
iL IL
(17)
(1 D)2 DU o 2T i Po
(18)
i 式中， I L 为电感上的平均电流， I L Ii 。 根据上面的式子可得： L
当D
1 时，L 可以得到最大值，则： 3
Lmax
4U o 2T 27i Po
(19)
为满足其条件，有： L Lmax
(20)
2) 电容 C 的选择 在两极变换之间有一个电容 C，其作用为输出滤波和储能。假设把逆变电路等效成纯阻性电路。由式 (11)、(15)可知： U o
I o DT C
(21)
U o
Po DT CU o
(22)
由式(12)、(21)可得：
假设电容电压的纹波系数为：
u
U o Uo
(23)
则， C
p o DT
uU o 2
(24)
4.2 开关管的选择 Boost 电路开关管根据流过电路开的有效值来选择，并且还要给它留出一定的余量，开关的最大有效值 如式(25)： 2 I RMS I L _ max Dmax 1 D max 12
- 74 www.ivypub.org/eea
(25)
I L _ max 为在 D max 下的电感电流平均值， D max 为在 Dmax 下的电感电流纹波率。 I L _ max
I dc 1 Dmax
(26)
本文选择的功率开关是 IGBT。
4.3 逆变器主要参数设计 输出滤波的电感值影响到输出纹波电流的大小，由电感伏安特性 uL L u (t ) i Ton L dt 0 L
di 知： dt
(27)
其中，在电感两端的电压为 u( L) (t ) ，当 u0 (t ) U L max ，假定此时开关管的开关周期为 T ，占空比为 D ， 则有： i
U L max DT L
另外，根据电感的伏秒平衡原理，可得： U s max DT (U dk U L max )(1 D)T
(28)
(29)
于是有： U dc U L max U dc
(30)
U L max (U dc U L max )T U dc
(31)
D
由式(29)，(30)可得 L
图 10 MATLAB/Simulink 仿真模型
5
单相光伏独立发电系统控制技术仿真
5.1 仿真模型 在 Matlab/Simulink 上建立仿真模型如图 10 所示，该仿真模型主要是由 PID 控制模块和 PWM 控制模块 - 75 www.ivypub.org/eea
组成[7-8]。依据要求选择参数：蓄电池直流侧输入电压 Ui 30V ，电感 L1 3mH ，电容 C1 1800 F ；逆变 器侧的参数选择：滤波电感 L2 8mH 。给定的开关频率为 100kH。 5.1.1
光伏电池与 MPPT 模块
设置光照强强度从开始的 1000W/m2 在 0.09s 时刻变为 800W/m2；温度的变化为由最初的 45 oC 在 0.06s 时刻变为 25 oC ，在 0.09s 时刻变为 45 oC 。
1 U
Zero -Order Hold
Subtract
Sign
Memory
2 I
Product 1
Sign 2
1 Uref
+-
0.2 Zero -Order Hold 1
Product 2 Subtract 1
Sign 1
Constant
Memory 3 70 .4
Memory 2 Constant 1
图 11 光伏电池模块与 MPPT 模块
5.1.2
PID 控制模块
见图 12，调节 PID 参数可以有效控制逆变输出波形的效果。
图 12 直流升压仿真电路模型
图 13 SPWM 控制仿真电路模型 - 76 www.ivypub.org/eea
5.1.3
SPWM 控制模块
本系统后级逆变部分是对输出电流进行控制，该控制电流的方式是采用的 SPWM 控制仿真模块见图 13。 5.1.4
蓄电池充电模块
仿真模型见图 14。
图 14 蓄电池充电模块
5.2 仿真结果 仿真结果如图 15 所示，该系统能够得到一个稳定的频率的电压供负载使用。在仿真图中可以看出系统 得到了一个比较稳定的正弦波形且频率为 50Hz，满足交流负载的要求。
图 15 仿真结果
6
结束语 光伏逆变器具有独立运行和并网运行两种模式。逆变器主电路为 DC-DC、DC-AC 两级功率传输构架，
采用无变压器形式具有运行安全，占用空间小，质量小，效率高，价格便宜等优点。该光伏单相独立系统 具有最大功率跟踪、蓄电池充放电、逆变输出几个环节，直流链输出实现最大功率跟踪控制，尽可能提高 光伏发电系统效率，逆变侧保证逆变器独立运行时可适应负载宽范围变化。该系统的设计为大型独立光伏 系统的设计提供参考。
REFERENCES [1]
陈维, 沈辉, 邓幼俊, 等. 光伏发电系统中逆变器技术应用及展望[J]. 电力电子技术. 2006, 40(4): 130-133
[2]
吴春华, 张翼, 肖鹏, 等. 一种光伏独立发电控制系统[J]. 上海大学学报: 自然科学版, 2008,14(4): 359-363
[3]
肖鹏, 陈国呈, 吴春华, 等. 一种新型光伏独立发电系统拓扑及控制策略[J]. 上海大学学报: 自然科学版, 2008, 14(6): 633-636
[4]
张艳红, 张崇巍, 张兴, 等. 一种新型光伏发电充放电控制器[J]. 可再生能源, 2006, 129: 71-73
[5]
陈艳, 周林, 刘强, 武剑. 基于遗传编码的光伏 MPPT 模式搜索跟踪控制研究[J]. 沈阳工业大学学报, 2011, 33(3): 331-337
[6]
张超, 张学众, 张志宏, 等. 小功率独立光伏发电系统研究[J]. 低压电器, 2010, 14: 19-23
[7]
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 - 77 www.ivypub.org/eea
[8]
Ding, K., Bian, X., Liu, H., Peng, T., A MATLAB-simulink-based PV module model and its application under conditions of nonuniform irradiance [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2012, 27 (4): 864-872
【作者简介】 张俊凯（1978-），男，汉族，学士，助教，主要从事装备保障管理、电子电气，光伏技术等方面的研究。 Email: Sby163@163.com
- 78 www.ivypub.org/eea