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光伏发电系统建模及其仿真毕业论文目录摘要IAbstractI第一章 绪 论11.1新能源发电的背景和意义11.2光伏产业的现状和前景11.2.1太阳能光伏发电的发展现状11.2.2光伏发电产业的前景11.3本文设计内容1第二章 光伏发电系统概述12.1光伏发电系统的基本工作原理12.2光伏发电系统的组成12.3光伏发电系统的分类12.3.1太阳能独立光伏发电系统12.3.2 并网光伏发电系统12.3.3互补型光伏发电系统1第三章 光伏发电系统建模及其仿真13.1光伏电池阵列的建模13.1.1 光伏电池阵列的数学模型13.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响13.1.3太阳光光照强度模型13.2光伏发电系统的主电路模型13.2.1光伏并网发电系统的主电路模型13.2.2离网型光伏发电系统的主电路的模型1第四章 光伏发电系统的控制技术14.1光伏发电MPPT技术14.2电导增量法14.2.1电导增量法的原理14.2.2电导增量法改进14.3 最大功率控制技术仿真14.4光伏并网发电系统的控制14.4.1并网逆变器控制14.4.2 电流环的分析建模14.4.3锁相环的原理分析14.5离网光伏发电系统的控制14.5.1 光伏充电控制分析14.5.2独立光伏发电系统的逆变器控制技术1第五章 光伏并网系统中的孤岛效应15.1孤岛效应的分析和危害15.2 孤岛效应的检测15.2.1孤岛检测标准15.2.2孤岛检测方法1结论1展望1参考文献1致谢1第一章 绪 论1.1新能源发电的背景和意义能源一直是人类社会生存和发展的动力和源泉。伴随着社会的不断发展和进步，化石能源的储量也在日趋枯竭。在国内，据官方统计，仅去年一年，中国的原油进口达1.5亿吨1。按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可使用50年。可喜的是，随着科学技术的不断发展，人类发现了核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等多种新型能源。在化石能源的局限性和环境保护的压力下，世界上大部分国家加强了对这些绿色新型能源和可再生能源的发展支持。尤其是进入21世纪以来，世界各国对能源的需求越来越大。在德国、丹麦等国家可再生能源发电的装机已经达到较高的水平。为促进可再生能源的发展，各国不仅继续加大对可再生能源技术研发的投入，同时从立法和政策方面也都采取措施支持可再生能源的开发和利用，加快其发展步伐，使之成为实现能源多样化、应对气候变化和实现可持续发展的重要替代能源。我国高度重视可再生能源事业的发展，近年来更加大了对可再生能源发展的支持力度，包括国家科技资金投入、政府性工程及优惠政策制定等。尤其是中华人民共和国可再生能源法的颁布，有力地推动了我国可再生能源发展的进程，进一步保障了我国发展循环经济概念和建设资源节约、环境友好型社会目标的实现。从能源供应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展的理想的绿色能源，同时太阳能也即将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能是从太阳向宇宙空间发射的电池辐射能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，到达地球表面的太阳能为8.2*109万kW2,能量密度为1kW/m2左右。太阳能发电有热发电和光发电两种方式。太阳能以其分布广泛,取之不尽,用之不竭,又安全洁净等优点,正逐渐成为人类理想的新一代可再生能源。是人类最终可以依赖的能源。1.2光伏产业的现状和前景太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是直接将太阳的光能转变为电能，多种发电方式中，光伏发电是主流。光伏发电是将照射到太阳能电池上的光直接变换成电能输出。1.2.1太阳能光伏发电的发展现状1839年法国物理学家贝克勒尔发现光生伏打效应(光电效应的一种)。19世纪70年代赫兹根据光伏效应利用固体硒材料制成了光伏电池。1973年全球石油危机爆发，导致能源价格大幅度上升，这引起了人们对光伏发电技术的浓厚兴趣13。之后，光伏发电技术开始逐渐被关注，各国政府和工业界的研究机构投入了大量的人力、物力加强光伏发电技术方面的研究和开发。太阳能光伏发电自20世纪80年代起发展迅速，每年以30%到40%的速度迅猛增长2。为了鼓励太阳能技术的开发和利用，各国政府积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展3。 1996年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“光伏建筑物计划”，投资20亿美元，1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划气。2002年，美国的光伏电池生产总量达到112.9MW，计划到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时。年可减排COZ 351.1万吨，总计可增加就业7.15万人。该计划现已由加州施实。日本政府早在1974年就公布了“阳光计划”，1993年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002年，日本的光伏电池生产总量已达到254.SMW，并且以世界最快的增长速度一48.6%增长，计划到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1990年，德国政府率先推出“1000太阳能屋顶计划”，1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的1000屋顶计划，继而扩展为2001)屋顶计划，1998年德国政府进一步提出了10万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999年1月起开始实施“十万太阳能屋顶计划”。德国政府颁布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。 此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。 我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注。经过十年的努力，我国的光伏产业技术也有很大的提高，光伏电池转换效率也提高了。单晶硅电池实验室效率达20%，批量生产率达14%，多晶硅实验室效率达12%，与发达国家的效率在不断减小。截至2007年10月，全国已建和在建的并网光伏发电工程共有30多个，总装机容量达1 OMW左右。2007年8月，国务院发布的可再生能源中长期发展规划更对并网光伏发电建设提出了明确的发展目标，到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量为5万kW;到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量达到100万kW。到2010年，全国建成多处大型并网光伏电站，总容量为2万kW;到2020年，全国光伏电站总容量达到20万kW4。得益于近年来各方面对太阳能光伏产业发展的重视，目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。但是与发达国家相比，我国无论在生产规模上，还是在自动化水平上仍然有很大差距，面临着严峻的考验。光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。1.2.2光伏发电产业的前景 光伏发电有两种发电方式：独立发电,并网发电。由于太阳能发电成本较高,光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于独立型用户。但是近几年科技不断发展，光伏发电的不断改进， 因此，光伏发电产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区独立发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”3。(a)光伏并网和光伏应用装机容量对比图 (b)光伏并网装机容量所占比例图1.1 世界光伏应用领域年安装容量统计对比图1.3本文设计内容 本论文主要通过学习光伏发电系统的发电原理以及系统结构和控制功能，对光伏发电进行全面了解。针对光伏发电系统以及光伏组件的研究，建立相应合适的数学模型，运用Matlab simulink软件仿真在不同环境不同温度下太阳能电池的输出特性和输出功率特性。其次，针对光伏发电的控制系统，研究不同的控制方式和控制策略，建立对系统影响较大的系统控制模型。第二章 光伏发电系统概述2.1光伏发电系统的基本工作原理 光伏发电系统是利用半导体材料的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转化为电能的一种新型发电系统。所谓光生伏特效应1，就是指物体在吸收光能后，其内不能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期较短的优点。光能转换设备即光伏电池，是利用光生伏特效应把光能转换为电能的器件。目前光伏发电工程上广泛实用的光电转换器件主要是硅光伏电池，包括单晶硅、多晶硅，和非晶硅电池，其中单晶硅光伏电池的生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产。现以晶体硅为例描述光发电过程。如图2.1所示，P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射光伏电池表面的时候，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该外部电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。图2.1 光生伏特效应原理2.2光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统通常由2太阳电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、等几部分构成。光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源其实无处不在。（1）太阳电池组件 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池，有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由太阳能电池组件按系统要求串、并联而成，它是太阳能光伏系统的核心部件。（2）蓄电池 光伏发电系统中的储能设备。当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳能电池组件所需发电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池。（3）控制器 整个光伏发电系统的核心控制部分。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出。随着太阳能光伏产业的发展，传统的控制部分、逆变器以及监控系统集成的趋势。（4）逆变器 逆变器有离网逆变器和并网逆变器，是将太阳能电池组件产生的直流或者蓄电池释放的直流电转换为负载需要的交流电。通过全桥电路，一般采用空间矢量脉宽调制（SPWM）处理器经过调制、滤波、升压等，得到与负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供电系统终端用户使用。2.3光伏发电系统的分类光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统、光伏并网发电系统以及互补型光伏发电系统。不同类型的光伏发电系统特点和组成各不相同，应用场合和环境也有所差异，下文着重介绍独立光伏发电和并网光伏发电系统。2.3.1太阳能独立光伏发电系统独立的光伏发电系统是指在内部封闭电路内消耗光伏电力，不与电网连接，直接向负载供电。主要应用于部队通信系统，卫星通信，铁路公路信号系统，气象、地震台站等偏远地区。鉴于我国边远山区多，独立光伏发电系统有着广阔的发展市场。独立光伏发电系统由太阳电池组件阵列、充放电控制器、逆变器、蓄电池组等组成。与并网不同的是，为保证负载供电的连续性，独立光伏发电系统必须配置储能设备（蓄电池组）。其具体的工作原理是：白天在太阳光的照射下，光伏阵列将接收的太阳辐射能量（直流电流）通过控制器一部分传送到逆变器转换成交流电，一部分经过充放电控制器以后以化学能的形式存储在蓄电池中。当太阳光不足时，存储在蓄电池中的能量经过逆变器后变成方波或SPWM波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50Hz的正弦电源供给交流负载使用。其运行结构框图如图2.2直流负载蓄电池太阳能电池板DC/DC 交流负载逆变器控制器 图2.2独立运行太阳能光伏发电系统结构框图独立光伏发电系统有其优点也有不足。优点是简单、经济、灵活、适用范围广泛；不足之处在于蓄电池的使用寿命远远小于光伏组件寿命，因此需要经常更换，而且用电可靠性差，管理控制分散，一般用于用电量小，分散性大的用电负荷。2.3.2 并网光伏发电系统 太阳能并网光伏发电系统就是太阳电池阵列中的半导体材料在接收到太阳光辐射时产生的“光伏效应”，将太阳光辐射能直接转换为电能。无需蓄电池储能，直接通过并网逆变器把电能送上电网运行。由电网进行管理控制，像一个发电厂连接到国家电网的发电方式，是电网的补充。 其运行模式是在太阳辐射的条件下，光伏组件阵列输出地电能经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，经过DC/AC并网逆变器转换后并入电网。并网系统中PV方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力回馈给电网。在太阳光不足的时候，光伏组件产生的电能或者产生的电能不能满足负载需求是就由电网供电。光伏并网发电系统结构如图2.3所示。电网逆变器太阳能电池板DC/DC交流负载控制器图2.3光伏并网发电系统结构框图 目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。现在，世界光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式，与离网太阳能发电相比，并网发电系统有其独特之处。首先它利用清洁干净的能源，而且是可再生能源，使用中不排放无污染物和温室气体，有利于生态环境的和谐发展，符合可持续发展战略。其次，所发的多余电能馈入电网，把电网当作储能装置，省掉了蓄电池，比离网光伏发电在经济建设上减少了35%到45%的投资，大大降低了发电成本，更重要的是，省掉蓄电池之后，降低了系统平均故障时间，也杜绝了蓄电池的二次污染。再者，光伏电池组件可以与建筑物完美结合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料，是物质资源充分利用，发挥了多种功能。分布式的建设，就地分散供电，进入和退出电网灵活自如，既增强了电力系统抵御战争和自然灾害的能力，又改善了电力系统的符合平衡。 不足之处就是只有在晴朗的白天才能比较稳定提供电力，一旦没有了日照，就会导致发电量下降，干扰电网。 2.3.3互补型光伏发电系统风/光互补光伏发电系统由光伏电池阵列、风力发电机、控制器、逆变器、蓄电池组、耗能负载箱、支架等组成6。太阳能和风能在时间和地域上有很强的互补性。白天太阳光强的时候，风小，晚上太阳落山后，光照弱，但由于地表温差大而风加强。在季节上，风光也有同样的互补效果。而且，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风/ 光互补型发电系统结构如图2.4所示。 其具体工作原理：风力发电机经整流后与太阳电池组件产生的直流电流通过控制器一部分传送到逆变器转化成交流电，一部分对蓄电池充电；当风力小阳光不足或夜间的时候，蓄电池通过直流控制系统向逆变器送电，经逆变器转化为交流电供交流负载使用4。 第三章 光伏发电系统建模及其仿真3.1光伏电池阵列的建模3.1.1 光伏电池阵列的数学模型太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表示，电流、电压之间的关系又是通过其他一系列参变量来表示的。特别是与太阳能电池表面的日照强度和电池温度等有关。理想的光伏电池等效电路如图3.1. 图3.1 光伏电池等效电路由串并联电阻、二极管、光生电流源组成。Iph是光生电流，当光照恒定时，由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化，因此可以等效为恒流源。在光伏电池的两端接上负载后，负载端电压反作用于P-N结上，产生与光生电流方向相反的电流I.串联等效电阻RS表示电池中电流受到的阻碍作用，其数值取决于P-N结深度、半导体材料的纯度和接触电阻。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低;旁路电阻Rsh与电池对地的泄漏电流成反比5。光伏阵列的输出电压、电流关系式如下： I=Iph-IDeqU+IRsAkT-1-U+IRsRsh (3-1) 式中:A 为二极管的理想因子， 玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K ,q=1.6*10-19C,为电子的电荷量; 为温度,Rsh和RS 为并联和串联电阻。由于光生电流Iph与光伏电池的瞬间光照强度ETP成正比增加，并且当取298K(25)为温度零点时，Iph随温度的增高将产生+0.1%的变化3。由此可得：Iph=5.4610-3ETP1+0.001T-298 (3-2)假定ETP=100Mw/cm2,整个装置的温度比气温高出30。得出装置温度表达式：T=Ta+0.3ETP1000 (3-3)由以上式建立方程组，可得出光伏阵列的理想输出特性。根据光伏组件的等效电路建立simulink仿真模型，如图3.2（1）为光伏组件的封装模型图， 图3.2（1）光伏电池封装模型图上图中T为电池温度，R为光照强度，VPV， Iout分别为光伏阵列的输出电压和输出电流。这是光伏组件的通用封装模型，在模块内部输入不同的参数即可模拟出不同条件下的I-V 和 P-V特性。如图3.2（2）为光伏组件输出特性仿真模型图。 图3.2(2)太阳能光伏组件仿真模型利用MATLAB环境对光伏电池的模型进行仿真，此时光强为100Mw/cm2,大气温度为25。如图3.3，曲线1为光伏阵列输出电压-电流特性的仿真结果，曲线2 是光伏阵列的输出功率-电压特性仿真结果。 (1)(2)图3.3 光伏阵列的输出特性曲线3.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响（1）光照强度为1000W/m2时，温度为25时，仿真得到的光伏电池单元的输出特性如图3.4图3.4光伏电池未被遮挡时的输出特性当光伏电池被遮挡时，理论上，与光照强度直接相关联的光生电流将明显下降，从而光伏电池的短路电流也相应下降。但其开路电压基本不变。输出功率会下降。仿真验证：光强为500W/m2,温度为25图3.4光伏电池单元未被遮挡和遮挡后的比较由图可以看出，光照强度下降了一半，短路电流也相应下降了一半，而开路电压基本不变。由此可得出， 当1个电池组件中的某个电池单元被遮挡，最直接的影响是该电池的输出能力下降，表现为短路电流下降。（2）从数学模型中可以看出光伏电池的输出特性也受到温度的影响，为了验证推理的正确性，在上图的仿真环境下，设定在相同光照条件下，改变电池温度，观察输出特性的变化，仿真结果如图3.5所示。 图3.5 相同光照下，不同温度光伏电池的输出特性3.1.3太阳光光照强度模型光伏发电系统常年位于一个地方，光伏电池阵列所接收到的光照强度受各种外界因素的影响，如地理条件，天气变化地球纬度等。下文主要研究和模拟固定地方一天内的光照强度的变化。一般来说，固定地方一天内的光照强度可视为满足一定分布规律的随机变量。根据实际测验结果分析，一天内的光照强度变化曲线近似为正态分布曲线。 举例来说，例如内蒙地区的光照强度在早上6：00达到光伏发电系统工作的最低要求，而在下午13:00-14:00达到一天光照强度最强，在傍晚5:30又降到光伏发电系统工作的最低要求。对于一天内的光照强度可以模拟为：早上六点以分段的线性增长，此时系统开始运转，到下午13点到14点达到最大值，之后以分段的线性递减至5点半到最小值，此时整个系统停止运转。为了方便研究，对各段加以一定的函数，考虑干扰因素（阴影，云等），取方差0.001（标幺值）。根据经验，最适合的分布类型应为Beta分布，这是一种在（0,1）之间的连续分布函数，其概率密度分布为3 m,n=1Bm,nxm-11-xn-1 (3-4)其中m,n为正数，规则化因子B(m,n)是Euler的B函数，取值满足下式 Bm,n01xm-11-xn-1dx=mnm,n (3-5)其中（.）为gamma的函数，m,n的取值因地制宜，考虑到仿真的时候m,n难确定，并且Beta分布序列生成较难，可采用加以改进的正态分布代替Beta分布。确定了光照强度随机变量的分布，均值和方差，即可仿真，得到光照强度模型如图：图3.6 内蒙古地区一天内光照强度变化曲线 3.2光伏发电系统的主电路模型主电路中，除电力电子器件外，还包括电阻，电感，电容，变压器等线性器件，这些器件的模型较简单，主电路的数学模型一半不需要用户建立，用户更多的是建立自己可视性的主电路图即可。3.2.1光伏并网发电系统的主电路模型图3.7为光伏并网发电系统的结构示意图19，整体结构由前级升压变换器，后级全桥变换器，负载RLC,前后级控制器组成。光伏电池阵列输出的电能，经升压变换器升压并汲取最大功率后，利用全桥逆变器将直流电能转换为交流电能馈入电网；另外，加上RLC负载，模拟电力系统上的用户端等效负载，作为检测孤岛效应。图3.7 光伏并网发电系统结构图了解并掌握了主电路元器件模型后，即可搭建光伏发电系统的主电路模型，以并网单相光伏发电系统为例。如图3.8是单相光伏发电系统中逆变器的主电路模型图。图3.8单相光伏发电系统中逆变器主电路模型在simulink中完成原理图搭建，并对所有的器件的参数进行合理设定，则完成了该光伏发电系统的主电路模型的建立。3.2.2离网型光伏发电系统的主电路的模型离网型光伏发电系统主电路图如下3.9：图3.9 离网型光伏发电系统主电路图离网型光伏发电系统采用恒压跟踪CVT方式实现对太阳能电池的最大功率跟踪，可有效提高光伏电池的工作效率，同时也改善了整个系统的工作性能。由图可知，主电路拓扑结构为BUCK型变换器，利用脉冲宽度调节来控制主电路IGBT的占空比，以改变对蓄电池的充电电流，由此实现对太阳能电池的恒压跟踪，使太阳能电池的输出功率接近最大功率。CVT跟踪方式的具体内容在下文中会详细介绍。第四章 光伏发电系统的控制技术4.1光伏发电MPPT技术在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受环境和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。因此，对于光伏发电系统来说，应寻求光伏电池的最优状态，以最大限度地将光能转换为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术。一般正常情况下，随温度和辐照度变化的光伏电池U-I和P-I特性曲线分别如图4.1、4.2所示13。图4.1 相同辐照度而温度不同条件下的光伏电池特性图4.2 相同温度而不同辐照度条件下光伏电池特性显然，光伏电池运行受外界环境温度、辐照度等因素的影响，呈非线性特征，因此数学模型很难精确的表示光伏电池特性。理论上，当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池输出功率最大。也就是说，如能通过控制实现对负载阻抗的实时调节，使其跟踪光伏电池的输出阻抗，就可以实现光伏电池的MPPT控制。传统的MPPT方法依据判断方法和准则的不同被分为开环和闭环两种1。开环MPPT方法主要基于一些比如光伏电池的最大功率点电压Umpp与光伏电池的开路电压Uoc之间的近似线性关系等基本的规律。此方法简便易行，却对光伏电池的输出有较强的依赖性，且效率较低。闭环MPPT是通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭环控制来实现，采用最广泛的自寻优算法，典型的自寻优算法有扰动观测法和电导增量法，接下来本文主要介绍一下电导增量法11。4.2电导增量法由图4.2可看出，正常光照条件下光伏电池的输出P-U特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，因此，在最大功率点处有 dP dU=0 (4-1) 因此最大功率点跟踪实质上就是搜索满足dP / dU =0的工作点，由P/U代替dP/ dU。4.2.1电导增量法的原理电导增量法是根据光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发的，进而推出了系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，后提出相应的MPPT方法。如图4.3所示，是光伏电池P-U特性曲线及dP/ dU变化特征，即在光强一定的情况下仅存在一个最大功率点，且在最大功率点两边dP/ dU符号相反，而在最大功率点处dP/ dU =0。 dP / dU =0 dP/ dU0 dP/ dU-IU 最大功率点左边 IU=-IU 最大功率点 (4-5) IU0?I/U-I/UYYNNNUref= Uref+U*Uref= Uref+U*Uref= Uref-U*Uref= Uref-U*I(k-1)=I(k)U(k-1)=U(k)返回 图4.4 电导增量法流程图电导增量法的优点是MPPT的控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，与光伏电池的特性及参数无关。缺点就在于其步长固定，追踪时间难以控制。4.2.2电导增量法改进基于上文提到的电导增量法的缺点，为了提高电导增量法进行大功率跟踪时的快速性和准确性，我们采用变步长改进电导增量法。下面简单介绍两种变步长的电导增量法。其一是基于光伏电池P-U特性曲线的变步长电导增量法。在离最大功率点较远的时候，步长可以适当增大，这样可以提高MPPT的追踪速度；而到了最大功率附近区域时，跟踪的步长可以适当的减小，这样可以提高MPPT的准确度1。其二是基于光伏电池U-I特性曲线的变步长电导增量法的基本思路。由光伏电池U-I曲线可得出，类似恒流源和恒源的区域范围的比例较大，采用电导增量法时，在恒流源的区域里可加大步长，在恒压源的区域里适当的减小步长，最后利用电导增量法判据判断是否已经到达最大功率点处，若满足判据，则停止扰动。需要设MPPT的步长step=AdPdV, 使得步长随输出电压与最大功率点处电压距离的大小而变化。改进后的变步长的程序流程图如图4.5所示。开始返回d=d0+stepd=d0-stepd=d0dIdV-I/VdIdV=-I/Vstep=AdPdV输入值U1, U2, I1 ,I2 计算stepNYNYN图4.5 改进后的梯度变步长流程图4.3 最大功率控制技术仿真最大功率控制技术模型包括光伏阵列模型、MPPT模型、PWM脉宽调制模型、DC-DC变换器模型，光伏阵列模型在上章中已经学习过，接下来我们介绍下其它几种模型。MPPT模型中我们主要介绍电导增量法的仿真模型，如图4.6 图4.6电导增量法的仿真模型PWM脉宽调制模型是基于MPPT模块的输出信号作为后级DC-DC电路开关器件的驱动信号，Repeating Sequence输出的三角波作为载波，与MPPT模块的输出信号作比较后，作为Switch的输入信号，Switch的输出PWM信号驱动DC-DC电路。其中，三角载波的频率决定PWM频率。如图4.7图4.7 PWM脉宽调制仿真模块DC-DC变换器模型是通过调整DC-DC中功率开关管控制信号的占空比，来获取光伏系统工作输出的最大功率点，进而实现MPPT控制。Boost电路是升压变换器，使得光伏阵列的配置比较灵活，再通过适当的控制策略可以使 Boost电路的输入电压波动较小，提高系统最大功率点跟踪的精度;还有就是Boost电路在结构上与网侧逆变器下桥臂的功率管共同接地，驱动也相对比较简单。Boost变换器结构如图4.8所示。 图4.8 Boost变换器结构图其仿真模型如图4.9 图4.9 Boost仿真模型图根据以上子模块的仿真模型，建立光伏电池的最大功率控制仿真模型，如图4.10图4.10 MPPT控制仿真模型图在上图整个仿真模型中包含了PV模块、MPPT模块、PWM模块和DC/DC变换器模块。PV模块的输入是环境温度T和光照R，输出接口接的Boost变换器。而MPPT模块是在不停的检测光伏阵列的电压V和电流I，通过MPPT计算方法计算出输出给定电压值Vref 。 PWM模块的作用就是将给定电压值Vref和三角波信号进行比较，输出控制开关管的PWM信号波，改变光伏阵列工作电压，从而使光伏阵列工作在最大功率点附近。当辐照强度为1KW/m2,环境温度为25时，系统最大功率仿真结果如下4.11所示：（1） 光伏阵列输出电压和电流的波形 （1）光伏阵列的输出电压 （2）光伏阵列的输出电流（3）Boost变换器输出电压 （4）系统输入，输出功率比较图4.11 最大功率跟踪仿真结果图 为使得仿真结果便于分析，仿真中光伏电池的参数设置如下:短路电流8. 58A，开路电压22V，峰值电流7. 94A，峰值电压17. 7V，其标准功率约为140W。仿真图中系统输入功率和输出功率分别表示光伏阵列的输出功率和负载上的功率。由图中可以看出系统大约在0. 04s时达到最大功率稳定点;图中的光伏电池输出电压(17. 19V)、电流(7. 87A)，且均在厂家给出参数的波动范围内;Boost变换器输出电压约40. 75V，与17. 19V相比，升压后大约放大2. 4倍。4.4光伏并网发电系统的控制并网光伏发电系统，需要与电网相连，控制其逆变电路输出稳定的高质量的正弦波交流电，是控制的最终目的。控制方面比较复杂，如最大功率点跟踪控制，逆变器并联控制，孤岛效应等。本节内容将一一介绍。4.4.1并网逆变器控制并网逆变器是光伏系统中能量和转换的核心部分。以单相的工频光伏并网逆变器为例，如图4.12所示。图4.12 单相并网逆变器其中R为等效电阻，L为滤波电感，UPV为光伏电池输出的直流电压，其等效电路如图4.13，U1是逆变器输出的高频SPWM 波，经过滤波后，馈入电网，U2为电网电压。图4.13等效电路模型首先建立逆变器的数学模型，借此研究和分析其控制系统。由等效电路模型可得出： U1=LdIdt+ir+U2 (4-6)则由上面的方程式可得出输出侧电压的矢量图，如图所示4.14图4.14输出侧电压矢量图上式方程式经过拉普拉斯变换，得到 IS=1sL+rU1S-U2(S) (4-7) 即可得出控制传递函数 G1(s)=1sL+r (4-8)忽略死区时间、功率器件等非线性因素的影响时，逆变桥路和SPWM脉宽调制器可视为一阶惯性环节，即 G2(s)=KTs+1 (4-9)其中K是逆变器增益，T为逆变器开关周期。当开关频率较高时，Ts+11,上式可简化为 G2(s)=K (4-10) 由上可得出开环传递函数为 GS=G1SG2S=KsL+r=krLRS+1 (4-11) 通常并网光伏发电系统的控制模式有电压控制模式和电流控制模式，电压控制模式中，逆变器的阻抗较低，且并网电流完全取决于电网电压，属于间接控制。而在电流控制模式中，受控量是输出电流，而且输出地电流质量受到电网电压的影响较少，因此在实际应用中，电流控制模式受到了大家的青睐。 在较多的电流控制策略中，PI控制算法简单，开关频率固定，可靠性高，是目前最常采用的方法之一。在中小功率单相并网逆变器中，常采用较为简单的双环控制策略。一方面要控制并网的电流大小要跟随基准电流给定，一方面要跟踪试点相位。如图所示控制框图4.15。图4.15基于PI调节器的单相逆变器的双环控制结构图并网电流的幅值基准Imppt乘以由锁相环控制得到得电网Uac相位校准信号后，作为并网电流基准给定Iref，再通过电流环控制，使得并网电流跟随Iref，最后生成SPMW驱动开关管。4.4.2 电流环的分析建模电流环的控制目的就是实现并网电流的大小跟随基准给定。在控制过程当中，将实际并网电流与并网电流基准给定做比较得到差值，再通过PI调节器处理后得到调制波，再经过三角载波调制，输出SPWM信号，经过驱动电路放大，驱动功率开关管工作，产生与电网同频同相的正弦波电流11。采用电流PI闭环调节器来降低其稳态误差及增加系统稳定性。由上式4.6到4.11可得出传递函数控制图4.16K1sL+R1+sTsIS* IS -PI G2S G1SH 4.16电流环传递函数控制结构图开环时，逆变器的传递函数 GS=1+sTsG1S G2SH (4-12)为了了解系统的稳定性，所以根据上面推得的小信号模型进行模拟分析，以标准光照下的最大功率点为工作点进行分析，U2=34.4V, L=2.2mH, R=600m，K=10, H=0.1，因为是通过变压器升压并网，那么等价于电网电压U2有效值为9V,IS=11A。由此可画出波特图，如图4.17。4.17 开环传递函数波特图由图可以看出，系统满足稳定性要求。4.4.3锁相环的原理分析在控制光伏并网发电系统中，为了实现cos=1,而且重要的是实现并网电流与电网电压相同频率、相同相位。相位跟踪一般要靠锁相环技术来实现。接下来详细的介绍下锁相环的原理及其实现方法。说白了锁相环就是一个能够自动跟踪相位和输入频率的闭环反馈控制系统。它的组成成分有：鉴相器(PD)，环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。当环路锁定时，输出信号和输入信号同频同相。锁相环基本构成框图如图4.18所示12。压控振荡器(VCO)环路滤波器(LF)鉴相器(PD) Vac Ve Vc Vout图4.18锁相环基本控制框图鉴相器输入市电电压的采样信号Vac和压控振荡器VCO的输出Vout，鉴相器的输出误差信号Ve，该信号为Vac和Vout相位差的线性函数。低通滤波器滤除Ve中的高频信号后得到Vc，再由Vc来控制压控振荡器来改变输出信号Vout的频率和相位来逼进Vac的频率和相位。 鉴相器是一个相位比较装置，是用来检测输入信号相位与反馈信号之间的相位差，输出的误差信号是相位差的函数。常用的正弦鉴相器采用模拟乘法器与低通滤波器的串接作为模型。 环路滤波器具有低通特性，它可以起到低通滤波器的作用，更重要的是它对环路参数的调整起着决定性的作用。常用的环路滤波器有RC积分滤波器、无积比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。压控振荡器是一个电压一频率(V/F)变换装置，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随着输入电压线性地变化。锁相环和其它常规的闭环控制系统的不同之处它的输入是相位信号，而常规的闭环反馈控制系统的输入是经过电压或电流传感器检测来的电压、电流信号，另外，由于对相位的检测往往没有对频率或周期检测方便，而频率或周期与相位之间又存在一个简单的积分关系，因此在实际应用中常常将频率或周期作为输入变量。锁相环技术的实现比较复杂，具体流程如下： (1)首先采样电网周期T，以及对应频率f ；(2) 对频率进行调整，当电网电压此次周期比上次的差低于6，则可以认为周期无变化，依然取上次的周期为准，不调整，而如果此差值大于6，而且没有超出孤岛保护的范围，则改变T的值，也就是取当前次的周期为准；(3)将当前的周期值赋给前次的周期值；(4)正弦表有n个数据构成，定义Tnew为下一个SPWM周期值；(5)调整相位，设定CS为正弦表的指针，可以表示并网电流的相位，当捕获到电网电压上升沿时刻CS值大于0且小于等于n/2，则说明并网电流超前电网电压，那么只需要把CS值减小一定值，就相当于把基准相位往后移，反之当CS大于n/2且小于n时，说明并网电流滞后于电网电压，那么只需要把CS的值增大到某个值。而频率和相位的跟踪速度对于逆变器工作状态有很大的影响，跟踪过快必然会引起逆变器输出电流大范围的突变，甚至可能会造成变压器饱和，可是太慢也是不合理的。设每个周期调整相位幅度为360dn ,(n是DSP内部正