雙級PCS中光伏側控制仿真

王翔宇，梁俊宇，袁興宇

（1. 云南電網有限責任公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著全球對清潔能源的需求的不斷增長，可再生能源發電技術得到了廣泛應用。但是可再生能源發電系統，如太陽能光伏發電和風力發電，不同于傳統的發電方式，其產生的電能一般為直流電，而電網供電和用戶終端所需的電能為交流電。同時由于可再生能源發電的特點是不穩定和間斷性，無法滿足電網需求的時刻性和穩定性。為實現可再生能源發電平滑并網，需要對光伏等間歇性能源配置一定的儲能，并通過聯合運行控制實現功率的平穩輸出。這其中，與電網直接相連的功率轉換系統（Power Conversion System, PCS）負責能量的雙向交換，實現電能轉換、功率調節和電網同步等功能，確保能量的高效傳輸和供應。其控制運行是分布式能源系統接入電網的關鍵，也是當前的研究熱點。

目前，由于單級式PCS 系統容量和功率輸出方面都較為有限，其儲能裝置的容量和功率輸出在設計上受到限制，這限制了系統的儲能能力和能量傳輸能力，從而可能影響到系統的穩定性和供能能力，無法滿足可再生能源發電并網需求。為了滿足更大規模的電力存儲需求，可能需要考慮多級PCS 的應用。雙級式PCS 系統通過兩級能量轉換，可以增加系統的容量和功率傳輸能力，適用于大容量儲能和高功率輸出的電力存儲和分配系統。同時多級式的結構使系統的控制和管理較為復雜。由于需要同時控制和協調兩個逆變器以實現雙向能量轉換，因此對于控制算法和系統設計的要求較高。

本文針對儲能雙級式PCS 中的光伏前級模塊，推導了電導增量法，以實現平穩的最大功率點跟蹤。針對DC/AC 模塊進行雙閉環控制，并在此基礎上通過引入前饋控制環節，實現了分序無靜差控制策略，從而有效地平穩了系統直流母線電壓，并進行了數值仿真驗證。

1 光伏發電特性分析

在雙級PCS 系統中，光伏模塊作為光電轉換裝置，負責將太陽光直接轉化為電能。光伏模塊的輸出電壓和電流對直流母線電壓穩定的影響是巨大的?？墒?，光伏模塊的功率輸出通常會受到諸如天氣條件、光照強度等外界因素的影響。因此，在雙級PCS 系統中，通過峰值功率追蹤算法等控制策略來實現最大功率點追蹤，以最大化光伏模塊的發電效率對于光伏模塊的控制至關重要。

儲能雙級式PCS 總覽圖如圖1 所示。本文主要圍繞前級光伏發電系統展開研究，主要包括光伏電池的工作原理及輸出特性和最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制算法，并通過仿真建模為MPPT 控制和對直流母線電壓控制的實現提供理論基礎。

圖1 雙級PCS系統基本結構示意圖

雙級式PCS 系統的基本架構包括以下部分：

第一級：直流- 直流（DC-DC）變換器。該變換器負責連接儲能裝置（例如電池組）和電網，并實現直流電的調節和變換。它可以將儲能裝置的電壓和電流調整為適合儲能系統和逆變器運行的合適電平，并提供能量管理功能。

第二級：直流- 交流（DC-AC）逆變器。該逆變器接收來自DC-DC 變換器的直流電，并將其轉換為適用于電網的交流電。逆變器還負責保持輸出電流的頻率和相位與電網同步，并確保與電網的高質量連接。

前級光伏發電控制系統設計如圖2 所示，將光伏模塊產生的電能經過受MPPT 控制的DC-DC 變換電路后產生直流電能輸出，為后級逆變部分提供能量。

圖2 光伏發電系統控制框圖

影響光伏電池對外輸出特性的主要因素是光照強度和環境溫度，由此對不同自然條件下的光伏輸出特性進行分析。

表1 光伏電池參數

首先關于不同光照強度下光伏PV 模塊對外特性進行研究，參數設置如下：標準溫度T=25 ℃，光照強度分別為S=1000 W/m2、750 W/m2、500 W/m2、250 W/m2。仿真結果如圖3 所示。

圖3 固定溫度不同光照下的輸出特性曲線

以相同的方法，固定光照強度設置為1000 W/m2， 將溫度分別設置為T=45 ℃、35 ℃、25 ℃、15 ℃，照仿真結果如圖4 所示。

圖4 固定光照強度不同溫度下輸出特性曲線

圖3和圖4 為光伏PV 模塊在不同自然條件下對外特性的仿真結果，可以對比觀察輸出電壓、輸出電流和輸出功率之間的聯系。從上圖對比可得出以下結論：

光伏發電的特性受到多種因素的影響：

首先光照強度對光伏發電的影響非常顯著，光照越強，光伏電池的發電功率就越高，進而影響光伏發電的產量。同時，光伏電池的溫度也會對發電性能產生很大影響。由圖4 可知，在一定范圍內光伏電池的溫度越高，發電效率就越低，因此，熱量的散發和光伏電池的散熱設計對于提高光伏發電效率很重要。此外陰影效應、角度和方向、污染和灰塵等外界因素也會影響光伏板的光照強度和溫度。最后，在光伏PV 模塊的對外特性曲線上峰值點有且僅有一個，也就是說最大功率點只有一個，并且最大功率點在不同環境條件并不固定，所以如何實現在變化的外界環境下將光伏板功率控制在最大功率工作點至關重要。

2 MPPT控制策略

由前文可知，光伏電池的輸出功率與輸入電壓和電流之間存在一個最大功率點（MPP），該點是光伏電池輸出功率最高的位置。然而，由于光照強度、溫度和負載變化等因素的影響，光伏電池的工作點會產生變化，導致輸出功率不斷變化。MPPT 控制技術通過測量光伏電池輸出電壓和電流，并根據這些測量值調整電池負載，以使其工作于最大功率點。這樣可以最大程度地提高光伏發電系統的能量轉換效率。

為提高光伏模塊的發電效率，需要配合相應的控制策略實現對MPP 點的實時跟蹤，以通過實時調整光伏模塊的輸出電壓以實現調整等效阻抗的控制效果，使其工作在MPP 點附近。圖5 為MPPT 控制策略框圖。

圖5 光伏MPPT控制框圖

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制原理是通過工作點追蹤，使其在不同光照強度、溫度和負載等因素影響下都能提供最大輸出功率。通過傳感器測量光伏模塊的輸出電流、輸出電壓，計算實時功率以和MPP 點比較，通過改變負載或控制電子器件的轉換效率，調整光伏電池的工作點。目標是使光伏系統的功率輸出接近最大功率點（MPP）。這可以通過使用不同的控制算法和調節策略來實現。

由于MPPT 控制技術已經比較成熟，使用時根據現有算法進行設計和優化更多考慮實用性，根據不同的控制算法，系統的控制精度、成本都會不同，因此實際生產中需要選用合適的MPPT 算法。本文以擾動觀察法和電導增量法兩種MPPT 控制算法為例對功率點尋優的工作原理和特點進行分析。

在太陽能電池組的最大功率點跟蹤技術中，擾動觀察法是一種應用較為廣泛的方法之一。擾動觀察法通過對太陽能電池組電壓或電流施加微小的幅度波動，觀察輸出功率的變化，并通過反饋控制來調整工作點，迭代優化使得太陽能電池組能夠工作在其最大功率點上。在擾動觀察法中，通過引入正向或負向電壓干擾，太陽能電池組的工作點會發生偏移。如果輸出功率隨著干擾的加入而增加，說明工作點越來越接近最大功率點。根據這個觀察結果，再次引入正向干擾。然而，如果輸出功率隨干擾的加入而減小，說明工作點偏離最大功率點，此時需要改變擾動方向引入相反的干擾。

如圖6 所示，詳細來說，工作起點為A 點，在A 點引入正向電壓干擾，使得工作點移至B點。如果在B 點輸出功率依然增加，則再次引入正向干擾，繼續向最大功率點靠攏。但是，如果輸出功率隨著正向擾動的加入而減小，說明工作點需要向最大功率點的另一側移動。在這種情況下，改變擾動方向，引入反向干擾。這樣，在B 點到C 點和D 點的過程中，輸出功率先增加后減小，最終形成一個擺動過程。擺動的幅度取決于尋優過程中引入的干擾步長。

圖6 擾動觀察法工作路程圖

同樣地，從A 點開始引入負向干擾，如果輸出功率因此減小，也需要改變擾動方向，引入正向電壓干擾。通過不斷迭代和調整干擾方向，在最大功率點C 附近實現系統的穩態運行。

以上就是擾動觀察算法的工作路徑，通過引入適當的干擾，不斷調整太陽能電池組的工作點，使其接近最大功率點。具體的算法流程如圖7 所示。

圖7 擾動觀察法算法流程圖

擾動觀察算法具有結構簡單、控制環路清晰的特點。它首先采集光伏電池輸出側的電壓和電流數值，然后引入干擾信號進行周期性的尋優。此算法通過觀察引入干擾后輸出功率的變化情況，結合反饋閉環的方式來追蹤太陽能電池組的最大功率點。然而，由于該算法的實現過程特點，當尋找最大功率點附近時，電池組工作點會不斷在該區域內擺動，從而導致光伏發電單元無法持續輸出最大功率。因此，在尋優過程中，需要適當設置干擾量來降低對系統穩態的影響。另外，當環境條件發生變化時，系統會出現誤判現象，導致控制精度下降。因此，P&O 算法更適用于對控制精度要求不高的光伏發電系統。針對對控制精度要求較高的系統，需要考慮其他更復雜的MPPT 算法。

電導增量法（Incremental Conductance）它通過測量太陽能電池組的電壓和電流，并計算其電導（即電流對電壓的變化率），以確定最大功率點。電導增量法的原理基于以下幾個關鍵觀察： 在最大功率點附近，電池組的電導為零；當電池組工作點偏離最大功率點時，電池組的電導為正或負?；谝陨嫌^察，電導增量法通過測量PV 模塊的電壓和電流，得到當前工作點的電壓和電流值。然后計算當前工作點的電導，即電流對電壓的變化率。通常使用離散的差分來近似連續的導數計算。電導的計算公式為：dV/dI。其中dV表示電壓的變化量，dI表示電流的變化量。比較當前工作點的電導與零值的關系： 若電導為零，表示當前工作點接近最大功率點，繼續維持當前工作點； 若電導為正，表示工作點偏離最大功率點，需要向最大功率點調整，增加電壓；若電導為負，表示工作點偏離最大功率點，需要向最大功率點調整，減小電壓；根據比較結果調整電池組的工作點，繼續采集新的電壓和電流數值，并重復上述步驟。通過不斷調整工作點和追蹤電導的變化，電導增量法可以有效地定位和跟蹤最大功率點。

如圖8 為電導增量法的實現過程：通過研究功率與電壓的微分關系，根據在最大功率點處dI/dV=0 的特性，從而判定系統工作點與最大功率點的位置，可以用公式描述為：

圖8 電導增量法工作路徑圖

其中，ΔV為采樣電壓與前一次采樣電壓的差值，ΔI為采樣電流的差值，計算結果可以分為以下三種：

當電池組的電壓變化率dV為0、電流變化率dI為0 時，表示系統位于最大功率點（MPP），此時不需要進行進一步的控制調節。當電壓變化率dV為0 且電流變化率dI大于0 時，表示在當前環境條件下光強增加，工作點偏離最大功率點的左側，因此應該增加電壓來調整工作點。而當電壓變化率dV為0 且電流變化率dI小于0 時，表示工作點偏離最大功率點的右側，此時應該降低電壓來調整工作點。若電壓變化率dV不等于0 且電流變化率dI/dV大于負的電流與電壓之比（-I/V），則表示系統工作在最大功率點的左側，因此應該增加電壓。而當電流變化率與電壓變化率之比dI/dV等于負的電流與電壓之比（-I/V）時，說明系統目前工作在最大功率點上，此時需要保持電壓不變。圖9 展示了INC 算法的流程圖。

圖9 電導增量法算法流程圖

電導增量算法用于實現對最大功率點（MPP）的實時追蹤。根據光伏電池的輸出特性曲線，該算法首先采集電壓和電流的瞬時值，并計算輸出功率和電壓之間的微分關系?；陔妼Ш碗妼г隽康淖兓?，調整步長來尋找最大功率點。然而，由于INC 算法的復雜性和對系統的要求較高，它存在一定的截斷誤差，很難滿足高精度的要求。實際應用中，INC 算法需要實時獲取電壓和電流的測量值，并通過近似計算電導來確定功率點的位置。在每次迭代過程中，根據電導增量的變化來調整電壓的步長，以逐步接近最大功率點。然而，由于實際系統中的噪聲、漂移等干擾因素，以及計算中的近似誤差，INC 算法很難達到高精度的最大功率點跟蹤要求。

根據上文所述，擾動觀察法雖然具有簡單的實現方式，適用于一般的太陽能光伏系統。它通過周期性的擾動和觀察功率變化來逼近最大功率點。但是電導增量法具有更高精度的功率跟蹤功能，實現最大功率點跟蹤，固采取電導增量法實施控制。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 平臺搭建出系統的仿真模型如圖10 所示，仿真系統由前級光伏發電部分和后級逆變電路組成。其中，前級光伏發電系統由三部分組成：

圖10 前級光伏發電部分

第Ⅰ部分光伏發電模塊，可通過設置參數模擬光伏電池板工作時環境條件；第Ⅱ部分為MPPT 算法和Boost 電路的控制模塊，完成對最大功率點的跟蹤控制；

第Ⅲ部分Boost 升壓電路，光伏發電系統產生的直流電能由此作為后級逆變部分的直流輸入。濾波電感1.45 mH，電感內阻R為0.0001 Ω，濾波電容10 μF，直流母線電壓Udc為400 V，直流側支撐電容200 F，輸出電壓基波頻率50 Hz。

設定光照強度為1000 W/m2，溫度為25 ℃，首先以平穩工況運行對PV 輸出功率與直流母線電壓進行觀測。仿真結果如圖11 所示。

圖11 平穩工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

圖12為恒溫變光照強度下的光伏輸出功率以及直流母線電壓，在測試開始時先采用1000 W/m2進行實驗，在實驗進行過程中分別改變光照強度為900 W/m2、800 W/m2，最終調整回1000 W/m2，由測得波形可知在頻繁變換光照強度的情況下，直流母線仍保持在穩定范圍，在最后光照強度突然由800 W/m2升為1000 W/m2的過程中雖然直流母線電壓發生些許波動，但仍在可接受范圍。光伏模塊采用電導增量法控制效果也滿足設計要求，在變化的光照強度下，光伏模塊始終維持穩定功率。

圖12 變光照強度工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

圖13為穩定光照強度，變溫工況下的光伏輸出功率以及直流母線電壓，在測試開始時先采用25 ℃進行實驗，在實驗進行過程中分別改變環境溫度為25 ℃、15 ℃。由測得波形可知在逐漸變溫的情況下，直流母線仍保持在穩定范圍。

圖13 變溫工況下光伏模塊輸出以及直流母線波形

4 結束語

本文對應用于光- 儲雙級式PCS 的前級光伏模塊進行了研究，首先介紹了光伏發電的工作原理，然后對光伏電池進行建模測得光伏發電對外輸出特性，最后對光伏發電中兩種最大功率跟蹤的控制策略進行研究，分析原理并對比其特點。得出電導增量法不僅實現了在不同工況下的最大功率跟蹤，也使得直流母線電壓更加平滑，同時獲得更大的電壓寬度，通過實驗驗證了這種控制策略的正確性和有效性。