光伏发电系统及其控制的研究
随着大容量光伏电站的并网运行，其输出功率的随机波动会给电网带来影响，甚至会危及电力系统的稳定运行。因此，做好光伏发电系统的控制非常重要。
标签：光伏发电；组成；控制
1、前言
随着光伏电能价格的逐年下降，光伏电池发电容量在电网中所占比例日益增大，其对配电网综合负荷的影响也日益凸现。
2、光伏发电系统组成分析
太阳能光伏发电系统由不同的部件构成，大致分成五部分。
2.1光伏电池组
光伏电池组在光伏效应作用下将光能转化成直流电能。
2.2蓄电池组
当光照不足或负载过大时，蓄电池组可以释放之前储存的电能。
2.3控制器
系统运行中根据负载电源要求，控制电池组电能输出，确保发电系统输出的最大功率。
2.4逆变器
逆变器主要用于将直流电转化成负载需要的交流电。
2.5DC-DC变换装置
变换装置保证大范围变化情况下输出的高压直流电稳定，通过控制回路中的功率器件，实现直流电升压成为高压直流电。
3、PV数字仿真模型及其控制策略
3.1PV的反应原理
简单地说，PV的反应原理是可把光伏电池看成1个光电二极管。光能是以
适当能量水平的光子存在的，光子打击在晶体硅上会产生电子-空穴对，电子-空穴对于内建静电场的作用下，各自向相反的方向运动，离开势垒区，造成P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端因此形成1个光生电势，这就是P-N结的光生伏特效应。在P-N结开路的情况下，其两端建立光生电势差，即开路电压，将P-N结与外电路接通，就会有电流流过电路。P-N结的作用类似电源，接上外电路即可向外部输出能量。
3.2PV并网模式
PV系统唯一的缺点是受气候条件，温度等因素影响，只有白天有阳光时才才工作，夜间光伏电池基本上量输出。为解决这一问题，可用由光伏电池阵列，最大功率点跟踪，蓄电池，直流（DC）-直流变换器，DC-交流变换器，脉冲调制（PWM），并网逆变单元等部分构成的PV系统供电。
3.3PV数字仿真模型
光伏电池有4种类型，即单晶硅电池，多晶硅电池，薄膜电池和非晶硅电池。其中，多晶硅电池也可定义为由几层单晶硅电池组成的电池。本文以单晶硅电池为例进行研究，将光伏电池的等值电路模型分为3种。第1种是简单电路模型，其不考虑光伏电池的损耗，即不考虑任何电阻，该模型有利于理论研究，适用于复杂的PV系统仿真；第2种是只考虑光伏电池并联电阻的模型，其精度稍高，在实际应用中并不常见；第3种是既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的较精确的仿真模型。
4、光伏最大功率点跟踪控制系统
离网光伏最大功率点跟踪控制系统由光伏阵列、MPPT控制器、PWM脉冲触发信号模块、DC/DCConverter和蓄电池组构成，本文中，光伏阵列的最大功率点跟踪控制系统仿真模型中的光伏阵列由8个光伏组件以串4并2的方式组成，MPPT控制器由电导增量法控制，DC/DCConverter选用Boost电路。
4.1电导增量法原理
MPPT控制手段通过改变电池外部负载特性使其工作在最大功率点附近。目前MPPT控制的实现方法较多，其中包括电导增量法、“上山法”、定电压跟踪法和扰动观察法等，本文采用电导增量法。电导增量法直接关注功率的变化，光伏电池的输出电压和电流被用来计算电导和电导的增量。控制原理为对电导（GG=IPV/VPV）和增量电导（ΔGG=dIPV/dVPV）进行比较，根据比较结果决定电池电压的增减，使得系统工作在MPP，在MPP处功率的导数为0（dPPV/dVPV=0）
4.2Boost升压电路
通过改变DC/DCConverter中功率开关管控制信号（PWM）的导通率（占空
比），可以光伏电池使其工作在最大功率点，从而实现最大功率点跟踪。文献[1]中，作者对升压式变换器与降压式变换器的进行了比较性研究，研究结果表明升压式变换器比降压式变换器效率高，而且降压式变换器对占空比的控制能力是有限的；升压式变换器的能量效率可以随占空比的变化而变化。因此本文选择升压（Boost）电路实现光伏电池的MPPT。Boost电路实现升压原理为：当开关管IGBT导通时，输入电压对电感L进行充电，电感电流上升，二极管截至，电容C向负载供电。当IGBT关断时，电感L放电电流减小，电感电流不能突变产生感应电动势，电动势左负右正迫使二极管导通，输入电压和电感两端电压叠加导致输出端端电压高于输入电压，实现升压效果。
4.3系统仿真及分析
仿真采用变步长算法ode45（Dormand-Prince），仿真时间设为0.5s，最大步长为0.01在不同温度和光强条件下，系统能较好的跟踪并输出最大功率。在0～0.2s期间，光照强度从600W/m2上升到800W/m2，而环境温度维持25℃不变时，系统发出的功率增加；在0.15～0.3s期间，光照强度不变，而环境温度从25℃上升到60℃时，系统发出的功率减少；在0.3～0.4s期间，光照强度不变，而环境温度从60℃下降到30℃时，系统发出的功率增加；在0.35～0.5s期间，光照强度从1000W/m2下降到500W/m2，而環境温度维持不变时，系统发出的功率减少。从以上仿真结果中可以看出本文采用的基于电导增量法的MPPT控制算法能够快速实现不同光照强度、不同温度下最大功率点的寻优，并且能快速响应短时间内光强、温度的变化，跟踪精度高、速度快，具有较强的实用性。
5、结束语
总之，通过对发电系统的控制，提高了系统的效率。该项技术随着科技水平的不断发展，也将更加完善，推动光伏发电的快速发展。
参考文献：
[1]邱培春，葛宝明，毕大强.基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究[J].电力系统保护与控制，2016，39（3）：29—33
[2]杨惠，孙向东，钟彦儒，等.基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究[J].西安理工大学学报，2016，27（4）：456—460.
