并网光伏发电系统设计与仿真

.并网光伏发电系统设计分析与仿真1、 绪论在能源形势日益严峻和环境污染问题日益严重的今天，开发利用绿色可再生能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施，分布式发电成为世界各国争相发展的热点，其中太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。随着太阳能电池研究进程的加快和转换效率的不断提升，光伏发电成本呈现出快速下降趋势，社会普遍认同光伏发电作为可再生能源的作用与应用前景，开展光伏发电（Photovoltaic（PV）的应用推广也更具有现实意义。同时光伏发电正在由边远农牧区和特殊场合应用向并网发电规模化方向发展，由补充能源向替代能源方向过渡。光伏并网发电已经成为太阳能光伏利用的主要方式之一。开展并网光伏发电的研究，对于缓解能源和环境问题，研究高性能光伏发电系统，合理正确利用太阳能光伏发电，不仅具有理论意义同样也具有重大的现实意义。光伏发电作为分布式发电的一种，其工作特点是利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电转换成符合电网要求的交流电并入公共电网，光伏系统产生的电能除供给交流负载外，将剩余电能反馈给电网。可任意组合光伏系统的容量，分散使用最佳，可作为大电厂、大电网集中式供能的重要补充，也是新一代能源体系的重要组成部分。2、 光伏系统介绍及阵列输出特性分析光伏发电系统通常由光伏阵列、能量优化控制器、储能组件及逆变器等部分组成。光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。独立光伏发电系统是指供用户单独使用的光伏发电系统，如在边远地区使用的家用光伏电源等。并网光伏发电系统是指与电网系统相连的光伏发电系统。2.1独立光伏发电系统不与电网相连的光伏发电系统称为独立光伏发电系统，如图2-1所示。由于独立光伏发电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常工作，系统中必定存在一个储能环节来储存和调节整个系统的能量。图2-1 独立光伏发电系统2.2并网光伏发电系统并网光伏发电系统如图2-2所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。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；当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。图2-2 并网光伏发电系统2.3光伏阵列建模三相两级式光伏并网发电系统的结构图如图2-3所示，光伏阵列的直流电压经过DC/DC升压，DC/AC逆变器，RL滤波器与电网相连。图2-3光伏系统模型实际使用的光伏电池等效电路的形式如图2-4所示。图2-4 光伏电池等效的电路Iph为光生电流，其值与光伏电池的面积及太阳光照强度成正比；ID为二极管的暗电流，反映了光伏电池P-N结的扩散电流大小；Rsh为旁路电阻，反映电阻损耗，RS为串联电阻，反映漏电流损耗。因此理想光伏电池的等效电路只相当于一个电流为Iph，的电流源和一个二极管并联。当光伏电池接入一定负载后，负载便有电流通过，其值为光伏电池输出的负载电流Iph，当负载被短路时，光伏电池输出的短路电流为IL，为在1000 wm2光源的照射下，光伏电池输出端开路时所测得的输出电压值。为了寻找光伏电池输出电流的物理表达式，列出以下方程。IL=Iph-ID-Ish (2-1)VD=VL+ILRS (2-2)ID=IO(eqV0/AKT-1) (2-3)其中VD为等效二极管的端电压Ish=VDRsh (2-4)I0代表光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流；q为电子电荷，q=1.610-19C；K 为波尔兹曼常量，K=1.3810-23JK；A是常数因子(正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2)；T为绝对温度。将式(2-3)、(2-4)代入(2-1)中，得出光伏电池输出电流IL的表达式：IL=Iph-I0eqVL+ILRSAKT-1-(VL+ILRS)Rsh (2-5)单个光伏电池输出功率只有1W-2W，输出电压只有0.5V左右，无法满足并网发电的需求，通过光伏电池到光伏模板到光伏阵列的组合方式，可以保证较大的直流电流和电压输出，达到并网的条件要求。因此，光伏阵列的I-V特性等同于光伏电池的I-V特性。建立光伏阵列的数学模型，采用SUNFECH公司的STP2505-20/Wd型号光伏电池为例，其中包括：Isc、Voc、等参数，就能在一定精度下等效仿真光伏阵列的I-V特性，满足计算机分析的需求。表2-1列出了该种光伏模块的输出特性参数表。表2-1 SUNFECH公司的STP2505-20/Wd光伏电池参数Pm250WVmp29.5VImp7.8AVoc37.4VIsc8.4A效率15.4%工作温度-400-800最大系统电压1000V DC2.4光伏电池的等效模型在上述中推导出来的光伏电池输出电流表达式(2-5)，是基于物理原理的最基本的解析表达式，但由于光伏电池供应商不向用户提供表达式中的若干参数如RS、VL、IL等，且其参数与环境的关联度较大，难以在工程实践中得到广泛应用，因此不适用于光伏发电系统的工程设计和应用，需要在式(2-5)的基础上做以下近似：（1）忽略(VL+ILRS)Rsh项，因为通常Rsh较大，为几千欧姆，所以该项远小于光电流，可以省略不记。（2）假设IL=Isc，这是由于在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻，并定义在：1)光伏电池开路状态时，I=0，V=Voc；2)最大功率点处， V=Vm， I=Im。设定两个中间参数A，B，通过以上两个条件建立硅太阳电池的工程用数学模型，光伏电池的I-V方程可简化为I=ISC1-A(eVBVOC-1) (2-6)在最大功率点时，V=Vm，I=Im，可得 Im=1-A(eVmBVoc-1) (2-7)由于在常温条件下eVmBVoc1可忽略式中的“-1”项，解出AA=(1-ImIsc)e-VmBVoc (2-8)注意到开路状态下，当I=0时，V=Voc，并将(2-8)带入(2-6) 并忽略“-1”项得：B=(VmVoc-1)/ln(1-Im/Isc) (2-9)因此，通过式(2-8)、(2-9)只需要输入光伏电池通常的技术参数Isc、Voc、Vm、Im、，就可以通过计算得出A和B，进而由式（2-7）得到光伏阵列输出电压和电流的关系。由于式(2-7)描述的特性曲线是在标准日照强度Sref=1000W/m2和标准电池温度Tref=250C条件下得到的，当两者条件发生变化时，需要对原表达式进行修正才能正确描述实际环境条件下的I-V特性曲线。通常可采用的方法是由光伏电池供应商提供的参数，即标准日照强度Sref和标准温度Tref下的参数值，估算出实际日照强度和实际温度下的参数再代入实用表达式(2-7)得到实际情况下的I-V特性曲线。其过程如下：T=Tair+K (2-10)S=SSref-1 (2-11)T=T-Tref (2-12)Isc=IscSSref(1+aT) (2-13)Uoc=Uoc1-cT(1+bS) (2-14)Im=ImSSref+(1+aT) (2-15)Um=Um1-cT(1+bS) (2-16)假设I-V特性曲线基本形状不变，系数a、b、c的典型值a=0.0025/ ,b=0.5,c=0.00228/。2.4光伏电池的仿真分析以表2-1列举的光伏模块参数为仿真对象，依照上节推导出的公式在MATLAB/SIMULINK下建立仿真模型对光伏电池进行I-V特性分析。建立的模型图如图2-5所示：图2-5 光伏阵列仿真模型 在光照强度为S=1000W/m2，温度T=25的外部环境下，得到如下仿真结果。其中图2-6为输出I-V曲线，该曲线与纵轴的交点为光伏电池短路电流，与横轴的交点为开路电压参数。当该曲线所围矩形面积最大时即使图2-7中P-V曲线的最高点，即所谓的最大功率输出点。图2-6 光伏电池的输出I-V特性曲线图2-7 光伏电池的输出P-V特性曲线当光伏电池温度保持在25C，仅改变光照强度，S1 = 0.4kW/m2、S2 = 0.6kW/m2、S3 = 0.8kW/m2、 S4 = 1.0kW/m2时，光伏阵列I-V，P-V特性曲线如图2-8所示。图2-8同一温度、不同光照下的I-V曲线由图2-8、2-9可知，在温度不变、光照强度改变的情况下，光伏电池的输出与光照强度成正比关系，即光照越强，输出越大。图2-9同一温度、不同光照下的P-V曲线3、 最大功率点跟踪算法的分析最大功率点跟踪原理是光伏阵列的输出功率与福照度、温度和直流侧电压的变化有密切关系，具有非线性特性，如图3-1所示。在一定的福照度和温度条件下，光伏阵列具有唯一的最大功率点，即图中的M点，与之相对应的电压、电流称之为最大功率点电压Vm，和最大功率点电流Im。只有当光伏阵列工作在M点的时候，才能输出当前温度和福照度条件下的最大功率。因此，在光伏发电系统中，提高系统整体效率的一个重要途径就是实时调整光伏阵列的直流侧电压，使之始终工作在最大功率点附近，这个过程就称之为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。图3-1 光伏阵列的输出特性曲线3.1定电压跟踪法定电压跟踪法其实是一种稳压控制，这种方法实际上就是一种简化了的MPPT，但是CVT法没有考虑到外界环境对光伏阵列输出电压的影响，在外界环境条件变化较大的地区，CVT法并不能在所有的条件下对最大功率进行跟踪。CVT法把光伏阵列电压始终控制在最大值处，控制极简单，外界环境不变时输出直流电压稳定，极大提高了输出的电能质量，但相对的，跟踪精度也较差，适应性弱，无法跟随环境的变化，常常造成输出功率的损失，外界环境变化较大时可能会使得电池电压低于设定值，造成输出功率为零，使系统利用率严重降低，加剧电网功率缺额。对于集中式接入的大规模光伏发电系统，较大的功率缺失将对电网的稳定性造成一定的影响；对于分布式接入的光伏发电系统，功率的缺失将加剧配电网的负担，改变潮流的分布，可能增大网络中的损耗。3.2扰动观察法扰动观察法是目前研究较热门同时也是较为常用的最大功率点跟踪方法，也称为登山法（Hill Climbing Method）。其基本工作原理为：周期性的给光伏阵列的输出电压加扰动，比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小，如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动，否则改变扰动的方向。扰动观察法是一种真正的最大功率点跟踪，具有容易实现，结构简单，被测参数少的优点。它的缺点包括：首先，稳态时输出功率总在最大功率点附近振荡，输出直流电压始终存在微小的波动，会给并网交流引入谐波；其次，步长的大小将决定最大功率点的跟踪速度，步长较小时，光伏阵列很可能长时间工作于低功率输出区，当步长较大时最大功率点附近的波动又会加大；此方法还存在误判的可能性，当光强持续下降时，最大功率相应不断下降，此时系统可能出现连续误判，导致输出电压不断减小，输出功率持续下降。3.3电导增量法电导增量法也是 MPPT 控制比较常用的一种方法。它通过比较光伏阵列的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪，电导增量法的原理如下。光伏阵列的 P-V 曲线是一条单峰值曲线，在最大功率点必定有dPdV0，V大于最大功率点电压。对P=VI两边求导可得，dPdV=1+VdIdV (3-1)由式3-1可知，V-IV (3-2)VVmax 时 dIdV-IV (3-3)V=Vmax 时 dIdV=-IV (3-4)因此可以根据dIdV与IV的关系来调整工作点电压实现最大功率点跟踪。该方法的最大优点是在光照强度变化时，光伏阵列输出电压能以平稳方式跟踪其变化，而且稳态的振荡也较小，理论上相比前两种算法改善了系统输出的电能质量。但此算法相对复杂，对系统性能的要求较高，需采用高速处理器。3.4 DC-DC变换器的分析从电路理论中的阻抗匹配原则可知：在线性电路中，当外部负载等效电阻与电源内阻相等时，外部负载可以获得最大输出功率。即当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然光伏电池和电力电子变换器都是非线性元件，但是在短时间内，可以认为是线性电路。把光伏电池等效地看成直流电源，把电力电子变换器看成外部阻性负载，通过调节电力电子变化器的等效电阻，使之在不同的外部环境下始终跟随光伏电池的内阻变化，两者动态负载匹配就可以在电力电子变换器的输出侧获得最大输出功率，实现光伏电池的最大功率跟踪。 DC/DC变换器，亦直流斩波器，其电路图如图3-2所示，通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压。光伏发电系统中，DC/DC变换器主要有两个作用：一是提高光伏电池的输出电压，使其达到一定的值，以利于后一级的逆变，二是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处。图3-2 DC/DC斩波器的电路结构3.5三相光伏并网逆变器的分析3.5.1并网逆变器的结构和数学模型由Boost电路输出的直流电需要通过逆变器转换为与电网电压同频、同相的交流电才能并网。光伏逆变器是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变器的性质是光伏发电系统输出电能质量的一个重要影响因素。影响系统并网电能质量的重要因素包括并网逆变器的拓扑结构、控制策略及参数设定，直接关系到整个系统能否安全、高效地运行。所以有必要对不同的逆变器结构及控制策略进行归纳和对比分析，选出较为合适的并网逆变器结构及控制方式。拓扑结构是逆变器的关键部分，关系到其效率和成本。根据功能、性能、容量规模、应用领域的不同，逆变器的拓扑结构也大有差异，不同的拓扑结构可以对应使用在不同的场合。根据输入、输出端是否隔离，逆变器分为隔离型和非隔离型两种，隔离型又可分为工频隔离型和高频隔离型。逆变器追求的重点目标包括高效率和低成本，所以更多地朝无变压器的非隔离型结构发展，相比利用变压器隔离更加具有成本低、体积小等方面的优势，因此本文选择非隔离型逆变器。从直流电源的性质来分，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器具有以下特点：直流侧并联一个大电容，用以稳定直流母线电压及储能，直流侧电压基本无变化，直流回路呈低阻抗；由于直流侧电压源的箝位作用，交流侧输出电压为矩形波，与负载阻抗无关，负载阻抗影响交流侧输出电流；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变电路各开关器件都需反并联二极管。电流型逆变器具有以下特点：直流侧串大电感，以提供较稳定的直流输入，基本无脉动，直流回路呈高阻抗；电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧电流输出为矩形波，与负载阻抗无关，负载阻抗影响的是交流侧输出电压；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不需要给器件反并联二极管。就储能效率而言，由于电感寄生电阻的损耗较大，一般认为电容优于电感。电压型逆变器的直流侧并联大电容，可以较好地抵御由电网干扰带来的直流电压波动，因为受电网干扰的影响较小；电流型逆变器抵御电网波动的能力较低，不能应用于电网电压波动较大的场合。三相并网逆变器的典型拓扑结构如图3-3所示。图3-3 光伏并网系统拓扑图在此拓扑图中忽略了换流变压器，将换流变压器的漏抗及损耗计入图中的电抗，同时认为各相主电路参数相同，分别表示等效电阻和电感。逆变器交流侧输出端三相电压为、，逆变器的输出电流为，电流以流出方向为正。电网侧的三相电压为、。根据基尔霍夫定律，可以得到静止ABC坐标下的逆变器数学模型： （3-8）式（3-8）为静止ABC坐标系下的方程模型，交流控制量为三相，通过调节产生稳态误差，不能实现无静差跟踪，设计控制系统存在难度。为了消除调节在控制交流量时存在误差，同时根据三相逆变器输出电流在同步旋转坐标系下能够转化直流量的特征，故经过Pack变换得到电网基波频率同步旋转坐标系下的状态方程18： （3-9）在dq旋转坐标系下，对系统的描述和分析进行了简化，通过分别控制与轴的电流即可实现并网电流有功和无功分量的分别控制，这样就方便了控制系统设计。3.5.2控制系统结构图三相并网逆变器控制系统采用电压外环和电流内环的双环控制。电压外环作用是稳定或调节直流电压，以避免直流侧电压波动对交流侧电流的干扰。为实现直流电压的无静差控制，电压外环采用调节器与结合的控制器。对于电流内环，其作用主要是按电压外环输出参考电流指令进行电流控制，实现功率因数为1的正弦波电流控制。首先利用Clark变换和变换将逆变器输出的三相电流信号变换为电网电压矢量同步旋转的轴坐标系下类似直流信号的，然后对分别进行控制。与外环调节器输出的参考电流值做差，然后再经由PI环控制器和前馈解耦后，便可得到逆变器输入端的指令电压值。同理与求其偏差量，通过PI控制得到。与经过反Pack变换和电网电压锁相环信号得到和作为SVPWM的调制信号，触发IGBT的开关，达到控制的目的，整个控制系统结构图如图3-4所示。 图3-4 三相并网逆变器控制结构图当电力系统中电流与电压含有谐波或者出现不对称分量时，传统功率理论难以解释这种较复杂的功率。1983年日本学者赤木泰文等提出了三相瞬时无功功率理论，该理论定义了瞬时有功功率与瞬时无功功率，其他人在此基础上进一步研究了这套理论，提出了瞬时有功电流和瞬时无功电流等瞬时量。所以根据瞬时无功功率理论，在坐标系中的并网逆变器输出的有功功率和无功功率可以表示为： （3-10）公式（3-10）所示的是坐标Pack变换矩阵，坐标系逆时针旋转。基于电网的电压矢量采取定向控制，将坐标系的轴定向于电网电压方向上，并且轴超前轴，轴与轴的夹角为。空间矢量图如图3-5所示。图3-5 空间矢量图矢量图中，表示逆变器的输出电压合成向量，为电网电压向量，为逆变器的输出电流向量，为电阻电压降，为电感电压，为功率因数角。轴固定在电网电压矢量的轴线上，则： （3-11） （3-12）将公式（3-11）代入到公式（3-12）后得到： （3-13）从式（3-13）可知，如果电网电压保持恒定，则逆变器输出有功功率和轴电流成正比例关系，无功功率和轴电流成正比，于是实现了对有功功率和无功功率的解耦控制。引入坐标变换后将三相的电流向旋转坐标投影，即得到坐标系下的值。通过锁相环PLL跟踪电网侧三相电压（相位并给坐标变换提供相角。逆变器输出的三相电流变换成分量，其分量反馈到MPPT模块中，跟上一步的作比较并调整占空比，并循环该算法，MPPT输出的作为有功电流分量的参考值，并且经过PI无稳态误差调节，得到Vdref；与此同时，无功电流分量与参考值Iqref作比较其误差信号给在此处键入公式。PI调节得到Vdref，将Vdref、Vqref 和相角，反变换为三相交流量给PWM产生电路，经过三角载波调制发出触发脉冲序列再给逆变器。这样就形成PQ的解耦控制，逆变器稳定的输出功率并提供到电网上。4、 并网光伏发电系统的仿真分析4.1三相逆变电路仿真模型逆变器及其控制部分的仿真电路如图4-1、4-2所示。图4-1 逆变器仿真模型图图4-2 电流内环控制仿真模块逆变器为电压型逆变器，控制策略为前馈解耦电流控制，参考电流通过PQ分解获得。逆变器的直流侧滤波电容的作用是减小直流侧电压脉动。由于光伏阵列发电的波动性，此电容能保证逆变器正常工作并减小电流谐波。逆变器直流母线电容越大则电压纹波越小，抗负荷扰动能力越强，并网电流谐波含量越小，但响应速度也会变慢，同时考虑经济性和体积，也不能太大。逆变器采用的