光伏逆变系统的MATLAB仿真

李甫新

施耐德电气（中国）有限公司    200120

此文章通过MATLAB仿真，验证逆变器设计电路的正确性，以及所选器件的合理性。如图5-1所示，该图为单相光伏逆变系统的仿真电路图。仿真的要求是：

1，太阳能电池仿真模块能够模拟实际的太阳能电池的特性；

2，MPPT控制太阳能电池工作在最大功率点处；

3，DC/AC电路把直流电逆变成与电网电压同频、同相的交流电；

4，DC/AC控制器稳定逆变器直流侧的电压50V，控制逆变电路的通断，使其逆变为与电网电压同频、同相的交流电流。

图5-1 单相光伏逆变系统仿真

各个模块的仿真如下：

（1）太阳能电池

太阳能电池的仿真模型建立以光照强度S和温度T为自变量，以标准环境下的光照强度S、温度T、开路电压Uoc、短路电流Isc、最大功率输出电压Um、最大功率输出电流Im为已知量，以A、B为中间变量。当光照强度S、温度T发生变化时，先推导出中间变量A、B，最后得出在新的条件下I和U的关系式：

        （5-1）

如图5-2所示，为太阳能电池的仿真pv模块。有图可知，太阳能电池所处的环境为S=1000W/m2 ，T=25OC。在此环境下，太阳能电池的各个参数为： Uoc=44.4V, Isc=5.4A, Um=35.4V, Im=4.95A。

图5-2 太阳能电池仿真pv模块

（2）Boost

建立Boost电路的仿真模型，Boost电路由IGBT、二极管、储能电感、输出电容组成。模型为基础的boost电路。

（3）DC/AC

该仿真是由4个IGBT和4个二极管组成，通过PWM波来控制4个IGBT的通断，最终输出所需要的交流电。模型为基础的逆变电路。

（4）DC/AC控制器

DC/AC逆变器的双环控制外环为直流电压控制，用设置的基准电压减去直流母线的实时电压，其结果经过PI调节器控制后，与实时的电网电压相乘，其结果作为逆变器输出电流指令信号。双环控制的内环为交流电流环，用电流指令信号与逆变器输出的实时电流相减，得到的正弦信号，经过P调节，其结果与三角波相比较。

仿真结果分析

根据所使用太阳能电池板的参数：

最大输出功率:175W ；

开路电压：44.4V；

短路电流：5.40A；

最大功率电压：35.4V；

最大功率电流：4.95A；

以上是在光照强度为1000W/m2,电池温度为25oC时的参数。

设定太阳能电池的光照强度为1000W/m2,电池温度为25oC，由太阳能参数可知，在所设定的条件下，太阳能电池最大功率为175W，最大功率点的电压为35.4V。系统在所设定的条件下稳定工作时，输出功率约为175W，太阳能电池输出电压约为35.4V.

在系统进入稳定工作状态后，太阳能电池输出的电压基本保持不变，而且没有很大的文波，表明，所选用的太阳能电池侧的电容合理，能够达到设计时所提出的要求。

逆变器直流侧的电压能够稳定在所给定的50V，基本保持不变，超调量很小，而且相应的时间很快。这表明，所选用的逆变器直流侧支撑电容大小合理，而且DC/AC控制系统也能实现稳定直流母线电压的功能。

逆变器直流侧的电压反馈值和给定值，给定值为50V。反馈电压能够跟上给定的电压50V，而且跟踪速度很快，反馈电压最大值约为58V，超调量为16%，符合设计的要求，达到了快速响应，稳定电压的目的。因此，所设计的电压环控制系统和选择PI参数是比较合理的。

输出电流的波形为标准的正弦波，而且电流中所含的谐波很少，文波电流也不大，符合设计时所想要的结果。这表明，DC/AC控制系统中的电流环的设计与P参数的选择以及滤波电感的选择是合理的，实现了设计时的所提出的功能。

在很短的时间内，逆变器输出的电流和电网电压能够实现同频、同相并列运行，运行稳定，没出现故障。这表明，所设计的单相光伏逆变系统能够实现并网，稳定运行。

通过以上对仿真结果的分析可知，所设计的系统中，太阳能电池模块能够模拟实际太阳能电池的特性，MPPT模块也能很好地控制太阳能电池输出最大功率，Boost电路实现升压功能，逆变电路实现把直流逆变成交流的功能，DC/AC控制系统能够稳定直流母线的电压，控制逆变器输出与电网电压同频、同相的交流电流，并能与电网稳定地并联运行。整个系统的仿真结果，都与设计系统时所依据的原理是相吻合了，这样就验证了光伏逆变器设计所依据的原理的正确性，以及各个元器件选择的原理方法的合理性。所以，所设计单相光伏逆变器是合理的，能够实现它的各种功能。

最大功率点的检测方法

实际运行中，太阳能电池板的运行环境多种多样，不可能总是标准环境，而且厂商仅仅提供了标准环境下的最大功率点数据。因此，对于非标准环境下，如何检测太阳能电池的最大功率点呢。以下讲检测最大功率点。

变电压法

在太阳能电池输出侧先串联一个电阻，然后再并联一个受控电压源。

（1）先给定受控电压源电压U1-U2,（U12）观察太阳能电池输出功率的的变化；

（ⅰ）如果输出功率一直增加，那么继续增加受控电压源的值为U2-U3（U23）,观察输出功率的变化，如果功率继续增加，那么继续增大受控电压源电压，直到太阳能输出功率出现减小为止，此时，通过示波器得到最大功率点的功率、电压、电流；

（ⅱ）如果输出功率一直减小，那么减小受控电压源的值U0-U1（U01），观察输出功率的变化，如果功率继续减小，那么继续减小受控电压源电压，直到太阳能输出功率出现增大为止，此时，通过示波器得到最大功率点的功率、电压、电流；

（ⅲ）如果太阳能电池输出功率先是增大，然后再减小，那么示波器上功率的最大点，就是太阳能电池的最大功率点，此时，从示波器上得到最大功率点的功率、电压、电流。

变电阻法

在太阳能电池输出侧串联一个电阻，测量电阻上的电压、电流、功率。

（1）先测定在某一阻值R1下电阻上功率；

（2）先增大电阻值为R2（R2>R1），观察电阻上功率的变化情况；

（ⅰ）如果电阻功率增加，那么继续增加电阻值为R3（R3>R2），一直到电阻为Rk时功率开始变小为止，然后在R-k-2与Rk之间等分为m个点，测得电阻获得的最大功率，和最大功率时电阻上的电压，电流，此时，该点为特定环境下的最大功率点。

（ⅱ）如果电阻功率减小，那么需要减小电阻值为R2，(R21），此后电阻功率会增加，一直到电阻值为Rk时，功率开始减小为止，然后在Rk-2与Rk之间等分为m个点，测得电阻获得的最大功率，和最大功率时电阻上的电压，电流，此时，该点为特定环境下的最大功率点。

实际上，无论从最大功率点的左侧，还是右侧，通过改变电阻，功率都是逐渐增加的，只要找到功率减小的点的电阻值Rk，那么最大功率一定在Rk-2和Rk之间。当对Rk-2和Rk之间进行等分m个点时，从Rk-2+ΔR开始，直到Rk-2+nΔR时，功率开始减小，那么与之前道理一样，最大功率点一定在Rk-2+(n-2)ΔR和Rk-2+nΔR之间，找出最大功率，以此为最大功率点，观察得到最大功率点的电压、电流、功率。根据设计要求的精度，选择要重复几次以上的步骤，最终达到设计的要求。

在用MATALB仿真时，变电压法直接通过设定受控电压源的电压线性变化，很容易找到在特定环境下的最大功率点，简单、快捷。变电阻法就是通过不断改变串联的电阻值，最终找到最大功率点，这种方法与变电压法相比，操作有些繁琐，需要测量的数据比较多，而且只能一个一个测量，不如变电压法每次测量一段数据，而且可以通过波形很清楚的找到最大功率点，因此在用MATALAB仿真时，变电阻法不如变电压法简单、方便、快捷。所以经常使用电压法。

最大功率检测方法的实际应用

上文讲了最大功率检测方法，文章仅用变压法来验证。

最大输出功率:175W ；

开路电压：44.4V；

短路电流：5.40A；

最大功率电压：35.4V；

最大功率电流：4.95A；

以上是在光照强度为1000W/m2,电池温度为25oC时的参数。

设定太阳能电池的环境条件为上述条件，首先用变电压法进行验证，然后在用变电阻法验证。

①先给受控电压源的电压为20V-30V，使用MATLAB观察太阳能电池输出功率变化情况

②继续增大受控电压源电压为30V-40V，使用MATLAB观察太阳能电池输出功率变化情况。功率先是增加，然后再减小，在这之间，输出功率达到了最大功率，很清楚的得到在T=3×105 时太阳能电池输出的最大功率约为175.33W，使用MATLAB能得到太阳能电池输出的电压，电流的波形图，为，电压为35.68，电流为4.91A，

文章主要对单相光伏逆变并网MATLAB仿真进行了详细的分析，对仿真电路进行了简单的介绍，对仿真结果与某部分电路的功能进行比较分析，从而得出各个电路模块都能实现设计时所要求的功能。最后介绍了检测最大功率点的方法：变电压法和变阻法。