（电机与电器专业论文）光伏并网逆变器建模和仿真研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ep r o b l e mo f e n e r g y i tb e c o m e sah o tt o p i ct h a th o w t oe x p l o i ta n du s er e n e w a b l er e s o u r c et or e s o l v ee n e r g yc r i s i s r e c e n t l y o ng e n e r a lv i e w , a m o n gt h er e n e w a b l ee n e r g yw h i c hp e o p l eh a v ek n o w na n d u s e d e x t e n s i v e l y , s o l a re n e r g yh a st h em o s tt e e h n i c a lc o n t e n ta n dw o u l dd e v e l o pb e s ti nf u t u r e t h em a i n p h a s eo fu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yi sp h o t o v o l t a i c ( p v ) g r i d c o n n e c t e ds y s t e m ，t h eg r i d - c o n n e c t e d i n v e r t e ri st h ek e yf o rt h ep vs y s t e m t h ee f f i c i e n ti n v e r t e rf o rt h ep vs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h e t h e s i s f i r s t l y , t h eo p e r a t i o np r o p e r t i e so fp vc e l la r ei n t r o d u c e da n dt h ep va r r a ym o d e li ss t u d i e di n t h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h es t u d y , av e r s a t i l es i m u l a t i o nm o d e if o rp va r t a yi sd e v e l o p e du n d e r m a t l a be n v i r o n m e n t t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c i n g ( m p p t ) c o n t r o lm e t h o do fp va r r a yi s g i v e n ，a n dt h ep e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o n ( p & o ) a r ea d o p t e dt oa c h i e v em p p t o fp v a r r a yf i n a l l y s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd c d cc o n v e r t e r ，d c a ci n v e r t e ra r ea n a l y z e di n d e t a i l si nt h i st h e s i s t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o no fm a i nc i r c u i ti nt h ep vg r i d c o n n e c t e ds y s t e mw i l l c o n c e md i r e c t l yw h e t h e rt h es y s t e mc a no p e r a t ep r o p e r l y , a n dw i l li n f l u e n c e st h eq u a i l t yo fo u t p u t c u r r e n t t w od y n a m i cm o d e l so fd c d cc o n v e r t e r , d c a ci n v e r t e ra r ed e v e l o p e du s i n gp o w e r s y s t e mb l o c k s e t st o o lo ft h em a t l a b s o m es i m u l a t i o nr e s u l t sf o ro p e nl o o pa n dc l o s el o o p c o n d i t i o n sa r eg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i r d l y , t h ep vg d d c o n n e c t e dj n v e r t e rc o n s i s t so fad c d cc o n v e r t e ra n dad c a ci n v e r t e r a n dt h et w op a r t sa r ec o m b i n e db yad cl i n k b ym o d u l a t i n gt h ed u t yc y c l eo fd c d cc o n v e r t e r , t h e p va r r a yo u t p u tv o l t a g ei sc o n t r o l l e d ，s op va r r a yc a l f o p e r a t eo nm a x i m u mp o w e rp o i n t d c a c c o n v e r t e ra d o p t sd o u b l el o o pc o n t r o l ，a sar e s u l t , t h es i n u s o i d a lw a v eo u t p u tc u r r e n ti ss y n c h r o n i z e d w i t hg r i dv o l t a g ea n dd cb u sv o l t a g ec a nl e v e lo f f c u r r e n ta n dv o l t a g el o o pa d o p t sh y s t e r e s i s b a n d c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o la n dp ic o n 订o l r e s p e c t i v e l y a tl a s t , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f y t h e s i m u l a t i o na n a l y s i s t h ei s l a n d i n ge f f e c ts h o u l db ep r e v e n t e di np vg r i d - c o n n e c t e ds y s t e m t h ea c t i v ea n dp a s s i v e d e t e c t i n gm e t h o d sa r ei n v e s_ t i g a t e d i nt h i st h e s i s k e y w o r d ：m o d u l i n g t s i m u l a t i o n ，p vg a d - c o n n e c t e d ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l ，a n t i - i s l a n d i n ge f f e c t l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生繇陲日期： 诚s 莎 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的 公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：聋挈馨筘上日期：地阻 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 太阳能及其光伏发电 随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天 然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。同时，大蹙使用化石能源所产生 的一系列环境问题，使我们开始意识到开发新能源的迫切性和重要性。 可再生能源，作为新能源一个重要组成部分，主要包括太阳能、风能、潮汐能、地热能 和生物废料能等。从能源的稳定性、数量、设备成本、利用条件等诸多阑索考虑，太阳能无 疑是理想的可再生能源和无污染能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为2 1 世纪最重要 的能源之一。 目前太刚能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种彤式。光热利 j _ j 不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通州性。光化学转换在 自然界中以光合作阁为主要存在形式，人类不能很好的利用。光伏发电以电能作为最终表现 形式，在存储、传输、通j | j 性等方面有着很大优势，而且由于太阳能电池的原料硅的储 量十分丰富，光伏电池转换效率的不断提高，生产成本的不断f 降，都促使太阳能光伏发电 在能源、环境和人类社会未米发展中占据重要地位。 1 2 太阳能光伏并网发电现状和发展 太刚能光伏发电有独立光伏发电和并网光伏发电两种工作方式。独立光伏发电系统由光 伏电池板模块、蓄电池、充放电控制器、逆变器、配电线和一些接口器件组成。白天，光伏 电池板吸收太阡l 光为蓄电池充电；夜间，蓄电池为用户家电供电。这种独立光伏发电系统大 多数用于偏远无电地区，而且以户用及村庄片j 的中小系统居多。随着电力电子技术的进步和 控制理论的发展，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并 网光伏发电、光伏一建筑集成的方向快速迈进，太阳能由“补充能源”向“替代能源”过渡。 并网光伏发电系统的组成与独立光伏发电系统相类似，其中逆变器用来将光伏电池板产生的 直流电变换为可以与电网并联的交流电，系统的换流效率可达9 0 以上，最高达到9 7 。 同时，系统采用了最大功率点跟踪( m p p t ) 技术，尽管负载不断发生变化，但仍可以使太 阳能电池扳获得最大功率输出。 1 1 1 国外光伏并网产业的发展 并网光伏发电开始于2 0 世纪8 0 年代初，美国、日本、德国、意大利都为此做出了努力， 但由于当时成本过高，且环境效益还不是很明显，使得电力公司难以接受。9 0 年代以来， l 东南大学硕士学位论文 国外发达国家重新掀起了发展并网光伏发电系统的研发高潮。其中。光伏一建筑一体化成为 新的领域，标志着光伏发电大规模应用的开始。这种将现有的光伏组件安装在屋项上或用光 伏器件来代替屋顶、外墙甚至窗户材料的一体化系统容易安装，节省占地面积，被世界各国 认可。 德国的光伏并网发电技术走在了世界的前列。1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府补贴 支持的“1 0 0 0 个光伏屋顶计划”，继而开始“2 0 0 0 个光伏屋顶计划”，同时制定了可再生 能源法，规定光伏电价为o 9 9 马克k w h ( 高于常规电价0 6 马克k w h ) ，极人地刺激了德国 的光伏市场。目前，德国的西门子太阳能公司在慕尼黑建成了1 m w 的世界上晟大的太阳能 并网光伏发电屋顶系统。 日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做了十几年的努力。日本光伏屋顶并网发电系统 将太阡i 电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦”和“太刚电池玻璃幕墙”等， 这样太陬| 电池就可以很容易的被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。 美国也是最早进行光伏并网发电的国家之一，8 0 年代初就开始实施p v u s a ( p vu t i l i t y s c a l e a p p l i c a t i o n ) 计划，1 9 9 6 年又投资2 0 亿美元，专门用于开发新型光伏建筑集成材料、 采光技术、光伏调峰电力装置及光伏组件剧并网发电模块等。1 9 9 7 年6 月，前总统克林顿 宣布实施“百万个太阡i 能屋顶计划”，计划到2 0 1 0 年安装1 0 0 万套太阳能屋顶，总装机容量 为3 0 2 5 m w 。 许多其他发达国家，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等也都有类似的光伏 尾顶并网发电项目或计划。属于发展中国家的印度也在1 9 9 7 年1 2 月宣布，到2 0 2 0 年将建 成1 5 0 万套太阳能屋顶菏网发电系统。多项瓷料表明，近年来光伏并网发电市场发展迅速， 光伏并刚发电的装机容量从1 9 9 6 年的7 m w 已上升到2 0 0 0 年的1 4 0 m w ，光伏并网发电在 光伏行业中的市场比例也从1 9 9 6 年的1 0 上升到2 0 0 0 年的5 0 * 0 。到目前为止，世界范闱 内的并网系统已经占光伏系统总量的5 0 以上，整个光伏并网市场在蓬勃发展。 1 1 2 中国光伏并网产业的发展 中国太刚能光伏发电开始于2 0 世纪7 0 年代。经过近四十年的努力，我国的光伏市场发 展迅速，但主要集中在边远地区的独立逆变系统，如在国家支持下1 9 9 9 年底分别在两藏的 7 个无电县城安装了光伏系统，“中国光明丁程”2 0 0 0 年起义开始了无电乡村的光伏电站建 设。我国的光伏发电技术已经具有了一定的基础，但是主要的技术仍来源于国外，其中，并 网光伏发电技术更是刚刚起步。与国际大企业的先进技术( 如德国s m a 、西门子，日本三 菱等) 还存在一些差距。九五期间，国家科委将“太阳能屋顶并网发电系统”列入“国家科 技攻关计划”。目前为止，深圳和北京已经分别建成了1 0 0 k w 、1 7 k w 和7 k w 的光伏发电 屋顶系统并成功实现了并网发电。 我国地域广大，人口众多正处在经济转轨和发展时期，能源问题突出而紧张；另一方 面，有近7 0 0 0 万人口生活在无电地区，光伏发电的潜在市场是非常巨大的。同时，我国具 有丰富的太刚能资源，太阳能并网发电的前景，阔。在这样的背景下本论文对整个光伏并 网发电系统进行研究，具有重要的理论意义和实用价值。 2 第1 章绪论 1 3 光伏并网发电系统 1 1 3 光伏并网发电系统的分类 目前常_ i 的光伏并网发电系统按照系统功能可以分为两类，一种为不含蓄电池环节的 “不可调度式光伏并网发电系统”，如图卜l 所示；另一种为含有蓄电池组的“可调度式光 伏并网发电系统”，如图1 - 2 所示。通常，不可调度式系统应用在分散小型并网光伏系统， 可调度式系统应用在较大的集中式并网光伏系统口“。 不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为和电网 电压同频同相的交流电能。白天，当光伏系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部 分馈送给电网。夜间，当本地负载大于光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充不 足的电能。当电网故障或维修时，逆变器停止工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电 气断开，光伏并网发电系统不再向电网和负载提供电能。 图卜1 不可调度式光伏并网发电系统 可调度式光伏并网发电系统和前者相比，最大的不同处是系统中配有储能环节( 目前通 常采用蓄电池组) 。蓄电池组的容量大小按具体需要配置。可调度式光伏并网发电系统在功 能和性能方面较之不可调度式有若干扩展_ 手| i 提高，主要表现在： 1 、对重要负荷而言，系统兼具不间断电源( u p s _ 1j n i m e m l p t a b l e p o w e r s u p p l y ) 的 作用。 2 、大功率可调度式光伏并网发电装置可以根据运行需要自由确定并网电流的大小。这 有豁于电网调峰。 3 、可调度系统不仅能向电网馈送同频同相的正弦波电能，而且还可作为电网终端的有 源功率调节器，用于补偿电网终端缺乏的无功分量以稳定电网电压，同时亦可抵消 有害的高次谐波分量。对提高电能质量极有裨益。 可调度式光伏并网发电系统在功能上虽似优于不可调度式光伏并网系统，但由于增加了 储能环节( 目前主要为蓄电池组) 也带来了若干严重的缺点，使可调度式并网系统的应用规 模当前还难与不可调度式相竞争，这是因为： l 、蓄电池组寿命较短通常情况下蓄电池组的工作寿命为5 年，而光伏系统的平均寿 命为2 0 年，因此只在为数较少的场合使用可调度式光伏并网发电系统。 3 东南大学硕十学位论文 2 、蓄电池组的价格目前仍相对昂贵。 3 、蓄电池组较为笨重，需r 用较大空间，且处理废旧蓄电池会带来间接环境污染。 鉴于以上原因，目前光伏并网发电主要采用不可调度式系统。本文也主要针对不可调度 式系统进行讨论。 图卜2 可调度式光伏并网发电系统 1 1 4 并网逆变器的分类 光伏并网发电系统的核心为并网逆变器。并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转化为 和屯网电压同频同相的交流电能，实现并网口7 2 9 】。 根据输山连接电网的方式不同，并网逆变器分为单相和三相。单相并网逆变器一般应用 于户用小型光伏系统，简单方便；三相并网逆变器连接于三相电力系统，主要应用于大型光 伏电站，以免光伏发电对电力线路造成负载不平衡问题。 根据直流侧电源和输出控制，并网逆变器可以分为： ( 1 ) 电压源电压控制； ( 2 ) 电压源电流控制； ( 3 ) 电流源电压控制； ( 4 ) 电流源电流控制。 电流型逆变器其直流侧采用大电感滤波，但人电感往往会导致系统动态响应差。因此， 目前大部分并网逆变器采用电压型逆变器，即真流侧采用大电容滤波。 逆变器输出控制可分为电压控制和电流控制。电网可视为容量无穷大的交流l 乜压源，如 果并网逆变器的输出采用电压控制，j j ! | j 实际上就是两个电压源并联运行的系统，这种情况一f 要保证系统的稳定运行必须采用锁相环技术以实现同步。在稳定运行的基础上，可通过调 整逆变器输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出。但由于锁相同路的响应 较慢，逆变器输出电压值不易精确控制，可能出现环流等问题。如果不采取特殊措施，一般 来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。如果逆变器的输出采j h j 电流控 制，则只需要控制逆变器的输出电流跟踪电网电压，即可达到并网目的。由于其控制方法相 4 第1 章绪论 对简单。因此应用较广。本课题研究单相并网逆变器，直流侧采用大电容滤波，输出采用电 流控制。 1 4 本文主要研究工作 本课题结合江苏省国际科技合作项目新型高效光伏并网逆变器研制及仿真测试所进 行。本文对光伏并网逆变器进行了系统的研究，建立了基于m a t l a b 软件的光伏并网逆变 器的仿真模型，采崩滞环电流跟踪控制法实现并网。所做的工作包括： l 、描述了光伏阵列的输出特性，采t l ；| 通用仿真模型二在m a t l a b 中搭建光伏阵列的 仿真模块，用以模拟光伏阵列的输出特性曲线。 2 、阐述了最人功率点的跟踪控制原理分析了三种最大功率点的跟踪控制方法。 3 、分析了d c d c 变换电路的t 作原理，建立了d c ，d c 环节的传递函数，结合自动控 制原理，讨论了改变电路参数对d c d c 环节性能的影响。 4 、分析了电压型全桥逆变电路的，l j 作原理，研究了逆变电路的控制方法，采用滞环控 制方法建立了单相全桥逆变电路的仿真模型。 5 、采用典型并网电流内环、直流电压外环的双环控制实现了光伏并网逆变系统控制， 使用m a t l a b 的p o w e rs y s t e mb l o c k s e t y 具建立系统的仿真模型，并进行 仿真计算和系统参数的优化。 6 、阐述了孤岛效应产生的危害介绍了目前常用的被动式、主动式的检测方法，采用 并网电流幅值扰动法实现反孤岛效应的仿真。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章光伏阵列通用仿真模型 光伏电池造价高，其性能随目照强度，环境温度的影响变化较大。实际太阳光辐射持 续变化，使光伏电池的输出特性不稳定。导致实验室中的太阳能系统难以开发和实验。以 往的太阡j 能模拟常采用仿日照灯模拟光源的方法，其制作复杂，成本较高，且能量损耗较 大。本章在讨论光伏电池特性的基础上为光伏阵列建立通用仿真模型。 2 1 光伏电池的特性 光伏电池分为非晶硅、多晶硅等多种类型，叉因为各自制造技术的不同而表现出不同 的i v 输出特性。i v 输出特性是指在某一确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和 输出电流之间的关系，同一类型的光伏电池由于日照强度、环境温度的不同，i v 输出特性 也不同“。 图2 1 光伏电池i - v 特性随辐射强度变化曲线 图2 2 光伏电池1 v 特性随环境温度变化曲线 光伏电池的t v 特性曲线如图2 一l 、图2 - 2 所示，从图中上可以看出，光伏电池既非恒 压源，也非恒流源，也不可能为负载提供任意火的功率，是一种非线性直流电源。其输出 电流在人部分工作屯压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流卜降很大。 鲤2 1 表示光伏电池的i v 曲线舾辐射强度变化的规律。随辐射强度的增加，电流l p v 增 大。幽2 2 表示光伏电池的i v 曲线随温度变化的规律。温度增加，电流i p v 也变大。由图可 以看山，光伏电池的i v 特性与辐射强度、环境温度之间是高度非线性的，环境温度主要影 6 第2 章光伏阵列通用仿真模型 响开路电压，辐射强度主要影响短路电流。 o v p v 图2 4 典掣光伏电池p v 特性随温度变化曲线 图2 3 、图2 4 所示是典型光伏屯池的p - v 特性曲线，可以发现，在一定的温度和辐射强 度下，光伏电池具有唯一的最大功率输出点，最大功率点的左侧称为电流源区，右侧称为 电压源区。在电流源区光伏电池的输出电压变化很快，而输出电流保持不变；在电压源 区，光伏电池的输山电流变化很快，而输出电压变化很慢【l 。 通过对光伏电池的输出特性的分析可见光伏电池具有以f 特点： ( 1 ) 输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源； ( 2 ) 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比； ( 3 ) 最大功率点电压约为开路电压的8 0 ： ( 4 ) 输出功率在某一点达到最大值，该点即为光伏电池的最大功率点( m p p ，m a x i m u m p o w e rp o i n t ) ，且随着外界环境的变化而变化。 2 2 光伏阵列通用仿真模型 2 2 1 常见光伏阵列模型 光伏阵列的模型一般有三种。常用的是两种通用模型，除此之外还有一种简化模型。 1 通用仿真模型 光伏阵列的通用仿真模型有两种表达形式，两种模型均考虑了环境温度、太刚辐射强 度、光伏阵列串并联数、光伏模块参数( 如标准条件下太阳能电池的短路屯流、开路电压、 最大功率点电压、最大功率点电流、电压温度系数、电流温度系数等) 对i v 特性的影响。 ( 1 ) 通用仿真模型一 7 东南大学硕+ 学位论文 图2 - 5 光伏电池输山特性等效电路 根据光伏电池的伏安特性曲线的分析，以及光伏电池的等效电路图可以得剑，光伏电 池输出特性方程为： m 坤一l h 掣h 半 睁- ， 式中 h 树唧阻lk 。f l 土t , 一堋 z ， l = k r + k 仃一r ) 】孟 ( 2 哪 其中 i v 光伏电池的输出电流和输出电压，单位为安培和伏特： i 酊一标准测试条件卜电池的短路电流，单付为安培； i ，暗饱和电流，随温度的变化而变化，单位为安培； k 玻尔兹曼常数，单位为j ，k ： 日单位电荷，单位为库仑； e g 硅的禁带宽度，单位为电子伏特： t l 参考温度，单位为。c ； r 广电池的并联电阻，表明电子穿过p - n 结时产生的电流损失，单位为欧姆； a 常数； t 光伏电池的表面温度，单位为。c ； k r 一短路电流的温度系数； 五辐射强度，单位为l k w f m 2 ，： l d h _ 一光电流，单位为安培； l 。广一参考温度t r 下的暗饱和电流单位为安培； r s 一电池的串联电阻，单位为欧姆。 由于单个光伏电池输出的功率比较小，实际应用中，为了增大光伏电池的输山功率， 将若干块光伏电池进行串、并连接，以组成光伏电池阵列满足需要。在这种情况下，光伏 阵列的输出特性和单个电池也是相似的，光伏阵列等效的数学模型通常表示为： ，l + g ，l = n p l 砷- n r l o e 坤( 掣) 1 掣浯a ， 8 第2 章光伏阵列通用仿真模型 其中，1 1 s 表不光伏电池串联的数目，n p 为并联的数目。 光伏阵列的输出功率是电流与终端电压的乘积其数学表达式为： 山，l e 坤( 掣h 一半 伢s ， ( 2 ) 通用仿真模型= 该模型为本文所采埘的m a t l a b 建模的光伏阵列数学模型f l l j 。 取日照强度s , e f = i k w m 2 温度t r 矿2 5 。c ，设i 。为短路电流，v 。为开路电压，i m p 、 v t b p 为最大功率点所对应的电流和电压。当光伏阵列模型的电压为v ”时，电流i 。，由卜式 决定： ，= k - 一q e ：芸一 + 占叮 c z e ， 铲( 等小( - 一爿 治， q = ( - 一缈袭 s ， 昧= + p t s ) + r ，d i ( 2 9 ) d 1 = 硝妒一z j + l 一i ) ( 2 1 0 ) 式中 口在参考日照下，电流变化温度系数( a m p s 。c ) ： 在参考温度f ，电压变化温度系数( w 。c ) 。 对于单晶硅及多晶硅太阳能电池它们的实测值为： 1 2 = o 0 0 1 2 匕 ( 2 1 1 ) p = o 0 0 5 ( 2 1 2 ) r 广光伏模块的串联电阻由下式决定： 愿= 舡巧- n ( 一冬卜耐心耐卜 小鼍羞警 z 。“ 9 东南大学硕上学位论文 为硅的材料能带，s = 1 1 2 e v ； v 。pi 。c f ：参考条件下，光伏阵列最大功率点电压和电流； i 。”v 。肼参考条件下，光伏阵列短路电流和开路电压； 。，h 。：参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数： n ：光伏阵列单元串联数； n ；：光伏阵列模块串联数； n 。：光伏阵列模块并联数； l _ ：参考条件f ，光伏电池温度。 光伏电池的输出电流随着光照强度、电池板表面温度和负载等变化。所以，随着天气 情况的变化，光伏电池的特性曲线，鄂输出特性会发生变化。实际运行中，随着外界条件 的改变，光伏电池工作在不同特征曲线上。通过串并联方式，光伏电池组合成m x n 光伏 阵列( 其中m 、n 分别为光伏模块串、并联数) 光伏阵列的伏安特性是光伏电池伏安特性 的累加，即电压乘以串联数，电流乘以并联数。计算公式如f 所示： 串联时： u = u i + u 2 + u 3 + + u 。，i 为，响 ( 2 1 5 ) 并联时； u ：! 生_ = ! ! 生_ = ! ! 刍2 二：= 盟，：i + i ，+ l + + l ( 2 - 1 6 ) n 2 简化模型 简化模型是将光伏阵列直接等效为直流电压源，但该模型不能实时跟踪太阳辐射强度、 环境温度和光伏阵列参数的变化，因而不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。 2 2 2 光伏阵列仿真模块建立及其结果分析 光伏阵列仿真模块用于模拟光伏电池板的非线性电压电流特性。在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建仿真模型，虽然模型比较复杂，但是模块与模块之间的连接其实是很方便的，而且 可以考虑温度、辐射等不固定、经常发生变化的因素。通过改变输入模块的值，可以清楚 地反映出环境温度、太阳辐射强度、光伏电池串并联数、光伏电池模块参数对光伏阵列的 影响。同时，该模型以环境温度和辐射强度作为光伏阵列的输入可以反映在任意气候环 境下的近似的光伏电池特性。 依照上述通h j 仿真模型二，利用m a t l a b 建立数学模型，设v 。为开路电压。i 。为短路 电流，v 。为最大功率点的电压，| m p 为最大功率点的电流，心为光伏电池串联屯阻，t 二f 为 参考温度( 取为2 5 。c ) ，s m 为参考辐射强度( 玟为i k w m 2 ) 。所搭建的数学模型如图2 6 所示。 1 0 第2 章光伏阵列通用仿真模型 图2 6 光伏电池数学模型内部结构 光伏电池模型的参数设置如表2 1 。 表2 1 仿真电路参数设置 v 0 ck v m d i m p g 晷 凡k s m f 2 l v8 a1 6 v7 4 a0 0 1 5o 72 2 0 h m s 2 5 。cl k w m 。 对光伏并网发电系统进行仿真时，建立光伏电池模块子系统，必要时可以封袈所建立 的子系统，用以调用。改变输入电压的值，使输出电流随之变化。崩示波器测得i v 特性曲 线，同时测得光伏电池的输出功率。测试幽如图2 7 所示，其中包括光伏电池的子系统模块， 其内部结构如幽2 6 所示。 图2 7 光伏电池性能测试接线图 仿真结果如图2 - 8 、2 - 9 所示其中图2 - 8 为光伏电池的f v 输出特性曲线，圈2 - 9 为 光伏电池的p - v 输山特性曲线。由图可知，这些波形与光伏电池的特性曲线相吻合，因而 东南大学硕士学位论文 证明建模是正确的。该模型可以比较精确地模拟光伏电池的输出特性。 圈2 8 光伏t 毡池的i v 特性曲线图2 - 9 光伏电池的p v 特性曲线 图2 1 0 光伏阵列的封装模块 m x n 光伏阵列的封装模块如图2 1 0 所示。本文使片j 的光伏阵列由2 7 块光伏电池串联 而成，光伏阵列的i v 、p v 特性曲线分别如图2 1 1 、2 一1 2 所示，开路电压v 。为2 7 2 1 = 5 6 7 v ， 短路电流i 。为8 a 。 图2 一1 1 光伏阵列的i v 特性曲线图2 一1 2 光伏阵列的p v 特性曲线 2 3 最大功率点跟踪控制方法 光伏系统的主要缺点是光伏阵列的光电转换效率低。有资料显示，目前最高的转换效 1 2 第互章光伏阵列通用仿真模型 率在实验窒条件下也不超过3 0 。而且，光伏阵列的开路电压和短路电流在很大程度上受 日照强度和温度的影响，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然导致系统效率的降低。为 了解决这些问题。首先要研制价格低廉且能量转换效率高的光电材料。其次是光伏阵列必 须实现晟大功率点跟踪控制，以便阵列在任何日照卜不断获得最大功率输出。光伏阵列是 一个非线性的电源，其输出特性可视为由恒电流区域和恒电压区域组成，这两个区域的交 接点即为最大功率点。太阳能光伏应用的日益普及、光伏电池的高度非线性和价格相对昂 贵，更加速了人们对这一问题的研究。目前，光伏系统的晟大功率跟踪问题已成为学术界 研究的热点。 虽人功率控制方法也有一个发展过程，早期的光伏系统采用恒定电压控制方法。这种 方法的优点是简单易行，而且基本可以跟踪虽大功率点。但随着电力电子及控制技术的发 展，这种方法的简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济。因此一些新的控制方法 应运而生3 “。 2 3 1 恒定电压控制( c v t ) 当忽略温度效应时，在不同的光照强度下，硅光伏阵列具有图2 - 1 3 所示的伏安特性曲 线。它表明光伏阵列既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源。 光伏阵列的伏安特性曲线与负载特性曲线l 的交点a 、b 、c 、d 、e 即为光伏系统的 工作点，如果能使j 二作点移至光伏阵列伏安曲线的晟大功率点a 、b 、c 、d 、e 上， 就可以最人限度地提高光伏阵列的能量利用率。 人们发现，当温度保持某一定值时，最大功率点基本在一根垂线的两侧，这样就可以 把最大功率点的轨迹近似的看成输出电压恒定的一根垂线，这就是恒定电压控制的理论依 据。 0 v ，v 图2 1 3 忽略温度效应时的光伏电池输出特性与负载匹配曲线 但是这种跟踪方式存在着缺点：它忽略了温度对光伏阵列开路电压的影响，而一般硅 犁光伏阵列的开路电压都会受到结温度的影响，以常规单晶硅光伏电池而言，当环境温度 1 3 东南人学颤l 学位论文 每升高1 。c 时，其开路电压下降率约为0 3 5 o 1 4 5 ，这是不容忽视的影响。同样的光 照强度下，最丈功率点也会受到温度变化的影响，在这种情况下，如果仍然采用恒定电压 跟踪控制策略，光伏阵列的输出功率将会偏离最大功率输出点，产生比较大的功率损失。 特别是在有些情况卜| ，光伏阵列的结温升高比较明显，导致光伏阵列的伏安曲线与系统预 先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统将会产生振荡，对于那些一年四季或者每天 晨午温差比较大的地区，温度对整个光伏阵列的输出将会产生比较大的影响。如果仍然用 c v t 控制策略则只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。 为此可以做如下改进：为克服使崩场合季节、早晚时间以及天气情况和环境温度变化 对系统造成的影响，在c v t 的基础上可以采取以f 几种折中解决办法： ( 1 ) 手工调节：通过手动调节电位器按季节给定不同的u 。，这种方法使用较少，需要 人1 = 维护。 ( 2 ) 根据温度查表调节：事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最人功率点电压u 。 值存储在控制器中，实际逆行时，控制器根据检测光伏阵列的温度，通过查表选 取合适的u 。值。 ( 3 ) 参考电池方法：在光伏发电系统中增加一块与光伏阵列相同特性的较小的光伏电 池模块，检测其开路电压，按照固定系数计算得到当前最人功率点电压u 。，这种 方法可以在近 t 以c v t 的控制成本下得剑接近m p p t 的控制效果。 2 3 2 最大功率点跟踪( m p p i ) 原理及控制 c v t 控制算法能够将光伏阵列的端电压很好的稳定下来，但是不能满足最人限度的提 高输出功率，因而前人提出基于最人功率点跟踪的控制算法，它的目标仅仅是最大幅度地 提高功率，而电压的稳定不再是考虑的首要因素。 1 最大功率点跟踪原理【7 “1 要准确描绘某一条件f 的光伏阵列功率特性曲线并将其用于m p p t 的控制，是一件 十分凼难的事情，因为p v 曲线不是固定不变的，它随着口照强度、温度的变化而变化， 但不管p v 曲线如何变化，曲线都呈现如下特征： ( i ) 对应光伏阵列电压，光伏阵列输出功率的极值是唯一的，且该极值也是最人值： ( 2 ) 在功率最人点两侧，p - v 曲线是单调递增或单调递减的。 从功率对电压的导数理解在晟大功率点处d p d v = 0 ；在最大功率点的左侧， d p d v 0 ，p 随v 的增加而增加；在最大功率点的右侧d p d v 0 时，工作点在最人功率点左边； 当d p d v 隐+ 揣i 矿( ) y ) 一矿( 七一1 ) i 7 i y ) 1 矿 ) 一y ( 七一1 ) l ( 2 1 9 ) 由于v ( k ) v ( k ) v ( k 1 ) ，并且在最人功率点附近i ( k ) i p b ，上式可以简化成i a i i i a i 。h | t 因此，在满足i x l l l a l p h 的情况f ，通过测量和计算i v 和d l d v 的值就可以通过上 面的关系式( 2 - 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 判断山光伏阵列输出电压与实际最大功率点输 出电压的关系了。 假设d l = l 。一i b ，d v = v - v b ，i n 和v n 为本次采样值，l b 和v b 为上一周期采样值。比较i 厂v 和d l d v 的值，判断出二【：作点在曲线的哪一侧从而对v 。f 进行相应的调节。当d i d v w ， 说明i ：作点已经在最大功率点，无须再调节v 1 5 东南大学硕士学位论文 增量电导法利用比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号，这种控制方法 需要对光伏阵列的电压和电流进行采样，常用于p v 能量系统中。通过比较p v 模块增加的 电导率和瞬时电导率米跟踪晟大功率点。该方法控制精确，响应速度比较快，适用于大气 条件变化较快的场合。但是对丁硬件的要求，特别是传感器的精度要求比较高，系统各个 部分响应速度都要求比较快，并且系统还需要增加额外的硬件电路。因而，整个系统的硬 件造价也会比较高。然而，不管怎样，这种方法在光强变化剧烈的情况一f 确实有其优势所 在，光伏阵列输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，而且振荡也比f 面将分析的扰动观测 法小。 间歇扫描跟踪法 间歇扫描口r 踪法，其核心思想是定时扫描一段( 一般为0 5 倍 o 9 倍的开路电压】光伏阵 列电压，同时记录不同电压下对应的输出功率值，然后比较不同点光伏阵列的输出功率，得 山最人功率点。 若对间歇扫描法进行改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内( 比如v 。0 i v 。 和v 。+ 0 i v 。) 扫描1 次，其中v 。和v 。分别是光伏阵列的最人功率点工作电压和开路电压。 每隔段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1 次。改进后的间歇扫描法控制 既保持了跟踪的控制精度，又提高了系统运行的稳定性。 干扰观测法 干扰观测法又称为登山法，其主要思想是通过周期性地给光伏电池的输山电压加扰动， 比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小。如果功率增加，在下一个周期以同样方向 加扰动，否则政变扰动的方向。通过成比例的增加或者减少变换器的输入电压，移动操作 点向最大功率点靠近。这种方法常用于光伏能董系统中，当日照随时问变化不侠时非常有 效。虽然这种方法不能迅速跟踪最大功率点，但是如果增加采样时间，可以减少系统损失， 而且使j ； j 该方法只需要两个传感器，减少了硬件个数和成本费用3 “”。 干扰观测法的实质，是由采样电压、电流值得到光伏输出功率的变化。比较前一个和 当前的电压值来检测功率变化，计算出参考电压v 用于产生p w m ( 脉宽调制) 的控制信 号。 其具体方法是：首先采样本次v ( k ) 、i ( 1 【) ，根据这两个值计算功率p ( k ) = v ( k ) xi ( k ) 。 比较( k ) 点与( k - 1 ) 点功率值的变化，功率值的变化决定f 一步变化的方向。如果功率增加， 搜索方向不变；如果功率减小，则搜索方向相反。搜索方向由v ( k ) 是否大于v ( k 1 ) 决定， 其差值定为改变的步长，如果步跃值较大，则系统响应快，但不准确；相反地，如果步长 小，则系统反应慢但相对精确。较为折中的方法是使控制器能够根据光伏阵列当前的工 作点选择合适的步长。例如，当已经跟踪到最大功率点附近时，采用小步长。通过对v r d 的不断调整，最终可以搜索到最人功率点。 至此，这种方法的优缺点可总结如f ： 优点： ( 1 ) 模块化控制阿路； ( 2 ) 跟踪方法简单，实现容易 1 6 第2 章光伏阵列通用仿真模型 ( 3 ) 一般用硬件实现即可，对传感器精度要求不高。 缺点： 。 ( i ) 只能在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，会造成一定的功率损失； ( 2 ) 跟踪步长对跟踪精度和响应速度无法兼顾： ( 3 ) 当光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，判断得到错误的跟踪方向。 2 3 3m p p t 的s i m u l i n k 仿真 考虑到干扰观测法的算法简单，且易于硬件实现，本文采用干扰观测法实现光伏电池 的最大功率点跟踪。幽2 1 4 是该算法的控制流程图【5 “1 0 l 。 图2 - 1 4 干扰观测法控制流程图 图2 1 4 中v ( k ) 、1 ( k ) 是新测量的值，根据这两个值计算功率p ( k ) ；v ( k ) x i ( k ) 。比较( k ) 点与( k 1 ) 点功率值的变化。功率值的变化决定下一步变化的方向。如果 功率增加，则搜索方向不变，如果功率减小，则搜索方向相反。搜索方向由v ( k ) 是否人 于v ( k - 1 ) 决定。c 。为占空比间隔，决定功率变化的步长。如果步艮值较大，则系统响应 快，但精度低；反之亦然。通过对v 。f 的不断调整，最终可以搜索到最大功率点。 根据以上的流程图，可以得到相应的m a t l a b 仿真幽，如图2 1 5 所示。 图2 - 1 5 最大功率点跟踪模块 1 7 东南大学硕士学位论文 这里须注意的是三个保持器的采样周期，即m p p t 控制的采样周期，最好取0 0 0 0 1 ， 这样仿真结果较为精确。至于决定功率变化的电压步长，设置得越小，仿真结果越是精确， 但是仿真所需要的时间