两极式单相光伏并网仿真：探索高效绿色能源之路

两极式单相光伏并网仿真前极：Boost电路+扰动观察法后极：桥式逆变+L型滤波+电压外环电流内环控制并网电流和电网电压同频同相，单位功率因数并网，谐波失真率0.39%，并网效率高

在如今对清洁能源需求日益增长的时代，光伏并网技术成为了研究热点。今天咱们就来唠唠两极式单相光伏并网仿真这一有趣的领域。

前极：Boost电路与扰动观察法

前极部分主要由Boost电路和扰动观察法组成。Boost电路可是个关键角色，它能够将光伏电池输出的不稳定电压提升到合适的水平，为后续的逆变环节做好准备。

咱们来看看简单的Boost电路代码实现（以Python为例）：

python 复制代码

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义参数
Vin = 20  # 输入电压
D = 0.6  # 占空比
R = 100  # 负载电阻
L = 1e - 3  # 电感
C = 100e - 6  # 电容
fs = 100e3  # 开关频率
Ts = 1 / fs  # 开关周期

# 初始化变量
Vo = np.zeros(10000)
iL = 0
vC = 0

for k in range(10000):
    if k * Ts < D * Ts:
        iL = iL + (Vin / L) * Ts
        vC = vC - (vC / (R * C)) * Ts
    else:
        iL = iL + ((Vin - vC) / L) * Ts
        vC = vC + ((iL - vC / R) * Ts / C)
    Vo[k] = vC

# 绘制输出电压波形
t = np.linspace(0, (10000 - 1) * Ts, 10000)
plt.plot(t, Vo)
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Output Voltage (V)')
plt.title('Boost Circuit Output Voltage')
plt.grid(True)
plt.show()

在这段代码里，我们首先定义了Boost电路的关键参数，像输入电压 Vin、占空比 D 等。通过一个循环模拟开关动作，根据占空比不同时段分别更新电感电流 iL 和电容电压 vC，从而得到输出电压 Vo。最后利用 matplotlib 库把输出电压波形绘制出来，方便我们直观观察。

而扰动观察法，简单说就是通过不断扰动光伏电池的工作点，观察功率变化方向，进而找到最大功率点。就像你在黑暗中摸索一个东西，每次移动一点，看看是不是离目标更近了。代码实现如下：

python 复制代码

# 光伏电池参数
Voc = 38  # 开路电压
Isc = 8  # 短路电流
n = 1.5  # 二极管品质因子
KTq = 0.026  # 热电压

# 初始化变量
P = np.zeros(1000)
V = np.linspace(0, Voc, 1000)
dV = 0.1  # 电压扰动步长
Vmpp = 0
Pmpp = 0

for k in range(1000 - 1):
    I = Isc * (1 - np.exp((V[k] / (n * KTq)) * (1 / Voc - 1)))
    P[k] = V[k] * I
    if P[k] > Pmpp:
        Pmpp = P[k]
        Vmpp = V[k]

# 扰动观察法寻找最大功率点
V_perturb = Vmpp
while True:
    V1 = V_perturb - dV
    I1 = Isc * (1 - np.exp((V1 / (n * KTq)) * (1 / Voc - 1)))
    P1 = V1 * I1
    V2 = V_perturb + dV
    I2 = Isc * (1 - np.exp((V2 / (n * KTq)) * (1 / Voc - 1)))
    P2 = V2 * I2
    if P2 > P1:
        V_perturb = V_perturb + dV
    else:
        V_perturb = V_perturb - dV
    if np.abs(P2 - P1) < 0.01:
        break

print("最大功率点电压：", V_perturb)
print("最大功率：", P1)

这里先定义了光伏电池的一些参数，然后通过循环计算不同电压下的功率，找到初始最大功率点。接着使用扰动观察法，不断扰动电压，根据功率大小调整扰动方向，直到功率变化很小时认为找到了最大功率点。

后极：桥式逆变、L型滤波与双环控制

后极由桥式逆变、L型滤波以及电压外环电流内环控制构成。桥式逆变将前极Boost电路输出的直流电压逆变成交流电压，使其能够与电网相连。

L型滤波则是对逆变后的交流电压进行滤波处理，减少谐波含量，让输出的电能更加纯净。

电压外环电流内环控制策略可是实现高质量并网的关键。电压外环负责维持输出电压稳定，电流内环则确保并网电流能够跟踪指令电流，从而实现并网电流和电网电压同频同相，达到单位功率因数并网。这就好比给并网电流和电网电压牵了根线，让它们手拉手，步伐一致。

下面是一个简单的双环控制代码框架（以MATLAB为例，这里只展示关键部分逻辑）：

matlab 复制代码

% 定义参数
fs = 10e3; % 采样频率
Ts = 1 / fs; % 采样周期
omega = 2 * pi * 50; % 电网角频率

% 初始化变量
Vref = 220 * sqrt(2); % 参考电压幅值
Iref = 0; % 初始参考电流
Kp1 = 0.1; Ki1 = 1; % 电压外环PI参数
Kp2 = 0.01; Ki2 = 0.1; % 电流内环PI参数

% 仿真循环
for k = 1:N
    % 电压外环
    error_V = Vref - Vout(k);
    Iref = Iref + Kp1 * error_V + Ki1 * Ts * error_V_sum;
    error_V_sum = error_V_sum + error_V;

    % 电流内环
    error_I = Iref - Iout(k);
    duty(k) = duty(k - 1) + Kp2 * error_I + Ki2 * Ts * error_I_sum;
    error_I_sum = error_I_sum + error_I;

    % 根据占空比控制逆变桥等操作（这里省略具体实现）
end

在这个代码框架里，我们首先定义了采样频率、电网角频率等参数。在循环中，先通过电压外环计算出参考电流 Iref，这里利用了PI控制器，根据参考电压和实际输出电压的误差不断调整 Iref。然后电流内环再根据 Iref 和实际输出电流的误差，通过PI控制器计算出占空比 duty，以此来控制逆变桥等后续环节。

正是通过这样的前极与后极配合，我们实现了非常出色的并网效果。并网电流和电网电压同频同相，单位功率因数并网，谐波失真率仅为0.39%，并网效率也相当高。这不仅让光伏发电更加稳定可靠地接入电网，也为可持续能源的大规模应用奠定了坚实基础。希望这篇文章能让大家对两极式单相光伏并网仿真有更深入的了解，一起为绿色能源未来加油！