基于PSIM软件的太阳能并网逆变器控制方法及仿真系统 【技术领域】
本发明涉及太阳能最大功率点跟踪算法研究及仿真系统，尤其涉及一种基于PSIM软件的太阳能并网逆变器控制方法及仿真系统。
背景技术
从能源的角度看，太阳能必将实现其从补充能源向替代能源的角色过渡，太阳能发电将逐渐从无电地区向有电地区发展。光伏电池是太阳能发电的核心部分，具有将太阳能转化为电能的功效，最大功率点跟踪能最大效益的利用太阳能，降低成本，提高利用率。
由于光伏电池的特殊性，在光伏发电系统中，整个系统的优化设计十分重要，它是降低系统成本，提高系统可靠性和系统效率的保证。光伏发电系统属于电力电子应用系统的一种，有很多软件可以对其进行仿真分析，如PSPICE，MATLAB，SABER，SIM-PLORER和PSIM等，传统的最大功率点跟踪程序即MPPT算法基本上是在MATLAB中来仿真验证算法的正确性的，通常都只采用变步长或定步长的一种跟踪方法。出现的问题有仿真结果不准确，程序复杂计算时间长。而且对实际并网电路的仿真效果不好。
【发明内容】
本发明的目的之一在于在PSIM软件中建立光伏电池的系统模型，能根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压，电流值，还能跟踪外界因素变化时对光伏电池的电压电流值影响程度。
本发明的另一目的是在PSIM中通过最大功率点跟踪(MPPT)算法和增量式PI算法验证对全桥逆变电路的控制效果，从仿真的现象中改进基于MPPT和增量式PI算法的光伏并网逆变器控制策略。
本发明实施例提供一种基于PSIM软件的太阳能光伏并网逆变器的仿真系统，包括太阳能光伏电池模型，还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器、太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL、增量式PI算法运算模块、比较器、全桥逆变电路；
所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成参考电压，所述参考电压与光伏电池当前输出的实时电压经过第一增量式PI算法运算模块得到指令参考电流的幅值，所述幅值与同电网电压同频同相的正弦表相乘得到系统所需的指令电流，所述指令电流与系统反馈回来的并网反馈电流经第二增量式PI算法运算模块输出控制信号，所述控制信号和载波信号经比较器处理得到PWM控制波形，通过所述PWM控制波形控制全桥逆变电路实现对输出交流电流幅值的控制。
进一步，所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器，电流传感器检测后，还直接传送到所述全桥逆变电路。
进一步，所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中采用的最大功率跟踪算法是变步长和定步长相结合的电导增量法。所述第二和第二增量式PI算法运算模块中采用增量式PI算法。
本发明实施例还提供一种基于PSIM软件的太阳能光伏并网逆变器的控制方法，其包括：
(1)通过太阳能光伏电池模型根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压、电流值；
(2)将所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成参考电压，所述参考电压与光伏电池当前输出的实时电压经过第一增量式PI算法运算模块得到指令参考电流的幅值，所述幅值与同电网电压同频同相的正弦表相乘得到系统所需的指令电流；
(3)将所述指令电流与系统反馈回来的并网反馈电流经第二增量式PI算法运算模块输出控制信号，所述控制信号和载波信号经比较器处理得到PWM控制波形，通过所述PWM控制波形控制全桥逆变电路实现对输出交流电流幅值的控制。
进一步，所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中运行的最大功率跟踪算法是采用定步长与变步长相结合的电导增量法，当电压没有改变时采用定步长方法跟踪，当电压改变时采用变步长方法跟踪，整体上提高了MPPT算法的跟踪速度。
进一步，把所述指令电流与系统生成的并网反馈电流值进行比较，经过数字增量式PI算法来跟踪指令电流，达到输出的电流实时跟踪指令电流目的。
进一步，通过第二增量式PI算法运算模块输出的控制信号与方波载波信号比较，生成所述PWM控制波形，从而控制全桥逆变电路。
采用本发明的基于PSIM软件的太阳能并网逆变器控制方法及仿真系统，其中太阳能最大功率点跟踪算法即MPPT算法能根据太阳能电池板上的太阳能光照强度和太阳能电池周围温度来调节输出电压和电流，使之始终工作在该环境下的最大功率点。利用PSIM软件对光伏阵列进行的仿真，其准确度非常高，能够准确地反映其物理特性。本发明地控制方法还包含数字增量式PI算法，使输出的并网电流能跟踪指令电流，与电网电压同频同相。仿真电路能模拟出跟踪的结果，能放映出跟踪的整个过程及跟踪效果。
【附图说明】
图1是本发明实施例提供的仿真系统结构框图
图2是本发明实施例提供的光伏电池仿真模型图
图3是本发明实施例提供的光伏电池P-I仿真曲线图
图4是本发明实施例提供的增量式PI算法流程图
图5是本发明实施例提供的MPPT跟踪曲线图
图6是本发明实施例提供的输出并网电流跟踪曲线图
图7是本发明实施例提供的基于PSIM软件的单相太阳能光伏并网逆变器的仿真系统原理图
【具体实施方式】
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于PSIM软件的太阳能光伏并网逆变器的仿真系统，包括太阳能光伏电池模型，还包括与所述太阳能光伏电池模型输出端依次相连的电压和电流传感器、太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL、增量式PI算法运算模块、比较器、全桥逆变电路；
所述太阳能光伏电池模型产生的实时电压、电流分别经电压传感器、电流传感器检测后，传送到所述太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL中生成参考电压，所述参考电压与光伏电池当前输出的实时电压经过第一增量式PI算法运算模块得到指令参考电流的幅值，所述幅值与同电网电压同频同相的正弦表相乘得到系统所需的指令电流，所述指令电流与系统反馈回来的并网反馈电流经第二增量式PI算法运算模块输出控制信号，所述控制信号和载波信号经比较器处理得到PWM控制波形，通过所述PWM控制波形控制全桥逆变电路实现对输出交流电流幅值的控制。所述基于PSIM软件的单相太阳能光伏并网逆变器的仿真系统原理图参见图7。
图2为根据光伏电池的数学模型建立的PSIM仿真模型，模型能根据太阳能光照强度及光伏电池的温度实时输出光伏电池的电压，电流值，能跟踪外界因素变化时的电压电流值。模型中的参数由不同产商生产的光伏电池的实物所提供的参数决定，参数的设置对仿真的结果有很大的影响，不同的光伏产品参数不同。图3上半部分为光伏模型输出的电流随电压变化曲线，即I-V曲线。图3下半部分为光伏模型输出的功率随电压变化曲线，即P-V曲线。图3的横坐标虽然为时间轴，但是实际代表的电压轴，表示电压值的线性变化，时间的增加等效与电压的线性增加。图3仿真曲线的变化趋势跟光伏电池的理论输出曲线基本一致，能准确放映因光照和温度变化而引起的电压、电流、功率的变化。
下面具体介绍信号处理过程，所述光伏电池的电压电流经采样后送入到太阳能最大功率跟踪模块MPPT.DLL，实现光伏电池的最大功率点跟踪，跟踪方法采用变步长跟定步长相结合的电导增量法，此模块是整个仿真电路的核心部分之一。电导增量法的理论依据为：通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗变化量的方法来完成最大功率点跟踪功能，由光伏电池的功率变化曲线可得最大功率值处的斜率为零，因此有：
dPdU=I+U*dIdU=0]]>式(1)
dIdU=-IU]]>式(2)
式(1)是要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时太阳能电池阵列工作于最大功率点，太阳能电池阵列工作于最大功率点即如式(2)所示。具体的跟踪过程采用电导增量法，当dU＝0，采用定步长跟踪方法，当dU≠0时采用变步长的跟踪方法，变步长为dD＝A*abs(dP/dU)，将变步长和定步长结合能达到最快跟踪速度。
采用定步长跟变步长结合可以有效的解决计算时间长，计算不准确的问题，电导增量法中既能快速跟踪又能保证跟踪的精度，当电压变化量为0时，采用定步长跟踪，跟踪步长根据输出控制量的量程来确定，比如定步长dD2＝0.001，在硬件能够识别情况下尽量保证步长小；当电压变化量不为0时采用变步长算法，步长为：dD1＝A*abs(dP/dU)，其中dP/dU为P-V曲线(功率随电压变化曲线)的变化率，当离最大功率点远时dP/dU值大因而跟踪步长大，当离最大功率点比较近时的值比较小，跟踪步长小，当在最大功率点时dP/dU的值为0，步长变为0，公式中A为调节系数，取值一般与定步长的值相等，把定步长跟变步长结合确保控制精度和响应速度。功率变化如附图3中的下半部分所示，曲线前部分斜率大于0，后部分斜率小于0。所述MPPT算法流程图如附图4所示，当dU不为0时，dI/dU＞(-I/U)表示斜率处于大于0的情况，即功率上升过程，还没有到达最大功率点，此时增加控制量，使之靠近最大功率点；反之亦然。dU为0时，dI＞0表示在功率的上升过程，还没有到达最大功率点，此时增加控制量，使之靠近最大功率点；反之处于下降过程。
图5为不同光照强度下MPPT算法的跟踪曲线，由曲线可以看出算法能快速的跟踪电压电流的变化过程，使光伏电池始终处于最大功率点处，极大的提高了光伏电池的利用效率。
光伏电池经MPPT算法后输出控参考电压Vref，参考电压与光伏电池的采样电压比较后经增量式PI算法得到指令参考电流的幅值，所述幅值与同电网电压同频同相的正弦表相乘得到系统所需的指令电流，所述指令电流与系统反馈回来的并网反馈电流经第二个增量式PI算法运算模块处理，输出控制信号，所述控制信号再和方波载波信号比较得到PWM控制波形，PWM控制波信号驱动全桥逆变功率电路。其中增量式PI算法为此仿真系统的另一核心部分，增量式PI算法运算模块的传递函数形式为：G(s)=kp+Kis,]]>其对应的时域方程式为：y(t)为PI输出，e(t)为PI差动输入，Ti为积分时间常数，Kp为比例系数。对时域方程离散化可得：Ts为采样周期，这是位置式PI控制，而若采用增量式PI控制，可避免误动作，同时运算不需要累加，对数字控制尤其方便。增量式PI形式为：该PI算法首先设置Kp、Ki的值，这两个值也是调试系数，初始化误差后根据增量式PI算法公式计算输出控制量，同时更新误差和输出量。对控制量限幅处理后作为最终的输出来控制载波信号的幅值。增量式PI算法程序流程如图4所示。
由于实际控制中，很多不稳定因素易造成增量较大，因为增量式PI算法有累加的效果，甚至比输出还大，进而造成输出波形不稳定，因此，必须对增量式PI算法进行优化，即对增量式PI算法进行限幅处理，防止程序失控，限幅的幅值以增量式PI算法的输出理论最大值为标准，PWM生成电路中载波的最大幅值为限幅值。系统最终的控制效果有仿真后的最大功率跟踪图5可以清楚的看出，并网电流的跟踪效果如图6所示，曲线A是指令电流，曲线B是并网电流，所有的跟踪效果与理论情况非常接近，说明此控制策略取得了一定的控制效果。
以上所述是本发明的具体实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。