【《太阳能电池板模型及并网仿真分析案例》8000字】

太阳能电池板模型及并网仿真分析案例1.1太阳能电池板数学模型上面章节详细针对光伏电池板计算输出电流I的计算进行了探讨和分析，表达式如式1.1所示[37]：（1.1）根据式1.1所示，表示的为计算输出电流I的最基本的表达式，改方法是也当前应用计算光伏电池板最常用的方法之一，从式1.1可以清晰看到，公式涉及的参数众多，包含、、、等数值，因此精确计算输出电流难度较大，而且应用的产品的各大供应商通常也不会提供必要的参数标准，因此还无法将式1.1所示的计算应用到太阳能并网系统设计中。当前使用最多的研究分析方法大多是通过仿真的方式，本文也通过工程模型研究分析，采用的是实用化数学模型，该模型包含的参数如下所示：开路电压表示、短路电流表示、最大功率点电流表示、最大功率点电压表示、最大功率点功率表示。通过上述参数一定程度上反应出太阳能电池特性，便于后期通过仿真的方式分析，为了降低计算难度，因此计算的电阻如往往忽略其带来的影响，当假定条件成立，因此经过简化后变为实用化分析模型，上述分析是在理想状态下分析的，实际应用时。由于电阻的数值较大，往往会忽略光电流等带来的英雄，此外假设条件也成立，在正常分析时，之所以产生上述情况主要原因在于与二极管正向导通产生的电阻相比，阻值要小得多。进一步简化分析，设立中间系数，简化光伏太阳能电池板的方程表达式，因此有[38]：（1.2）设存在如下假设定义表达式：当运行在最大功率点处，有：；当运行在开路状态下，有：。在上述假设条件下，计算参数A、B。当光伏电池板在最大功率点处运行时，由于，因此有式1.3所示的计算公式：（1.3）在常温状态下，系数的值要远远大于1，为了便于计算，简化后有：（1.4）当光伏电池板处于开路运行状态下时，此时，将式1.4带入1.2中，得到式1.5所示计算公式：（1.5）因为远大于1，因而可忽略数值1产生的影响，因而有：（1.6）通过对光伏太阳能电池板的分析后，将得到的各个参数等代入到计算模型中，从而可以绘制出太阳能点处的U-I特性。根据此时状态下的光照强度及温度，结合光强和温度发生的变化因素，可以对发生变化后的数据推算，因此有变化后的参数值，各个参数带入实用计算式中，获得在新条件下的U-I特性曲线图，各个计算表达式如下所示。（1.7）（1.8）（1.9）（1.10）（1.11）（1.12）假设电池温度处于参考标准为25℃条件下电池温度为，日照强度为数值。如果光伏电池板的运行处于U-I特性曲线上时，根据历史数据以及对应有关a、b、c的具体数值：a=0.0025／℃，b=0.5／℃，c=0.0029／℃，假定S的变化范围在，因而有式1.13所示计算式[39]：（1.13）式1.13中对应的系数K通过试验可测定，因此得到T（S）的斜率，根据广泛应用的光伏阵列及总结经验，系数K选取的数据为：（1.14）采用仿真分析时，厂家也会提供数据计算的必要参数，便于对光伏太阳能电池板有效调节控制，通常来讲，温度系数数值选取25℃，光照强度选取为，当处于工作状态下此时输出最大工作电压为，最大工作电流为，最大输出功率为，此外对应的开路电压及短路电流数据分别为：，。结合上面给定的参数数据，通过MATLAB软件下simulink建立光伏太阳能电池板仿真模型，在不同光照强度和温度下的仿真模型如图1.1所示。在建立的该分析模型中左边表示的为不同的光照强度，右边表示的为不同的温度，从而为调节各个参数奠定基础。图4-1不同光照强度及温度下的仿真模型图4-2光伏单元仿真分析模型输入电压信号从0逐渐上升到40V之间调节，如图1.3及1.4所示表示的为处于不同光照强度和温度影响下的输出功率、电流数据。图4-3光照强度不同状态下的光伏阵列U-I特性曲线图4-4光照强度不同状态下的光伏阵列输出功率曲线根据图1.3及1.4所示数据，当光照强度处于范围时，输出电压为26~33V内，最大的输出功率在40W~106W内。如果保持光照强度处于的恒定数据下，温度保持5~25℃，此时有图1.5及1.6所示的曲线示意图[40]。图4-5温度变化时光伏电池组的U-I特性曲线图4-6温度变化时光伏电池组的输出功率曲线根据图1.5及1.6所示数据，光照强度对光伏电池板的输出功率数值影响最大，调节温度对输出特性影响相对较小，因此为了详细对温度变化对输出特性影响进行研究，需要进一步扩大温度变化范围，下面选取温度在0、25、50℃情况下的仿真图形，如图1.7及1.8所示[41]：图4-7温度发生较大波动状态的光伏阵列的U-I特性曲线图4-8温度发生较大波动状态的光伏阵列的输出功率特性曲线根据图1.7及1.8所示数据，当温度处于0-50℃范围内是，输出最大功率电压为28~32V之间，继续升高温度会导致最大输出功率降低，保持在75~78W之间。当温度为调节输出的主要影响因素前提下，光照强度的变化对功率输出影响较小。实际应用中，由于外界环境的复杂性，温度往往在短时间内发生剧烈变化，如日出或日落，此外云层的移动对接收的光照信号产生十分明显的作用，实际并网运行的光伏电池板，重点针对光照强度变化对并网后的影响研究分析。1.2太阳能电池板并网仿真上节1.1中针对光伏并网进行了详细的探讨分析，下面对光伏电源并网仿真各个模块的装置进行说明，主要包含boost升压环节、DC/AC并网环节、滤波环节、光伏电源并网系统几个模块分析，实现并网的要求时采用有效的控制测量将逆变装置的直流电输出转变为交流电，采用PWM控制方法及输出滤波，完成光伏电池板输出的并网[42]。1.2.1boost升压模块本文主要采用boost升压原理及电导增量法，下面对应用到的详细介绍：（1）boost升压原理采用boost升压原理输出电压是通过变换器的方式完成，输出电压大于或等于输入电压数据，为了保证输入和输出安全，通过单管非隔离变换器的方式对开关管的运行调节和控制，由于设置了电感，根据检测到电感电流是否处于连续状态，因而将其分为两种工作模式，连续导电和不连续导电。当电感电流连续时，可通过式1.15计算电压增益系数[43]：（1.15）当电感电流不连续时，可通过式1.16计算电压增益系数：（1.16）根据电流处于连续状态下时，有：。根据电流处于临界和非临界状态点，可得到临界状态下电感电流计算式：（1.17）由于电力电子元器件运行的影响及产生的纹波电压情况，因此可通过式1.18计算电容参数：（1.18）式中：开关周期数值用表示；非连续导电时的导通比用表示；电感非连续状态下，电感电流下降到零所需要的时间用表示，其中满足关系式；纹波电压用表示；输出电压用表示。（2）电导增量法最大功率点跟踪MPPT控制的本质是不断寻找最优的过程，因此在获得最大输出功率时，也一定是太阳能电池板的输出与负载的输出相交汇的点，当最大功率点处于电压左侧时，因此通过MPPT控制其相互的交点位置处升高，当最大功率点处于电压右侧时，因此通过MPPT控制其相互的交点位置处降低。采用不同的MPPT控制方法，获得输出特性及跟踪特性也是不同的，相比于扰动观测法、电压跟踪法而言，采用电导增量法具有更优良的跟踪特性。该方法运行的机理主要是通过光伏阵列表现的瞬时导抗与导抗变化量之间的关系完成MPPT跟踪。因而当光伏阵列处于最大功率点处时，其计算斜率曲线为0，有如下相关计算公式：（1.19）（1.20）（1.21）上面几个计算表示的为达到MPPT最大功率点处相关计算条件和要求，根据计算公式可知，当输出电导的变化量与输出电导的负值保持一致时，则太阳能电池板保持在最大功率点。当前实现最大功率点最常用的方法为电导增量法，跟踪性能良好、调节精度高，当温度及光照强度发生变化后可尽快调整跟踪，因此电压波动较小。根据图1.19所示可知，设检测的电压电流信号分别用表示，在上一采样周期环节下，此时太阳能电池板的输出电压、电流信号分别用表示，设此时的扰动值为D。系统开始运行后，首先对太阳能电池板的电压、电流信号是否为零判断，如果为零，则系统的阻抗保持一致，因此无需对给定电流调节。当电压变化值为零时，如果电流有变化量，则表示外界发生对应变化，因此需要调节电流，如果电流量变化升高，则需要调节电流的幅值上述，反之则降低电流调节量，完成所有的调节后，记录下此时的电压和电流参数数据。Boost升压模块是实现MPPT跟踪控制性能的重要组成部分，通过调节电流的变化数据从而控制占空比的参数。为了保持输出电压稳定，需要合理的设置占空比D的数值，如升高占空比D，则输入端电压、电流将减少，如降低占空比D，则输入端电压、电流将升高，如图1.9所示为MPPT最大功率点跟踪流程示意图。图4-9最大功率点跟踪流程示意图如图1.10所示，当太阳能电池板未与电网并网时，运行的仿真模型。图1.10MPPT控制策略下的光伏阵列发电升压模型仿真图1.2.2DC/AC并网环节采用PWM控制技术实现逆变并网时，大多通过电流滞环控制方法，主要目的是获得并网电流与电网电压同频同相，下面对PWM控制原理及应用的电流滞环技术分析[44]。（1）PWM逆变原理PWM控制逆变原理主要是根据窄脉冲宽度变化状况获取驱动信号，采用的是面积等效原理，即形状不同、但面积相同的窄脉冲作用在当前惯性环节下时，获得相同的输出效果，此外调制波为标准正弦波时，即表示的为SPWM正弦脉冲宽度调制技术。当采用SPWM调制时，如调制频率为的正弦波有：（1.22）（1.23）式中：载波的幅值用表示；三角波的频率用表示；载波比假定系数用p表示，具有式1.24所示为载波频率与调制频率的比值：（1.24）如果调制深度为m，则正弦调制信号与三角波信号二者之间的比值为：（1.25）通常状态下，，，随着调制深度m参数的变化，也会影响SPWM逆变器输出电压的基波幅值：（1.26）根据上面的分析，调节逆变装置输出电压和频率的幅值可通过改变调制信号的方式完成。如果调制范围为线性区域，则，此时输出的基波幅值达到最大值，但此时的SPWM逆变器的电压利用率也只达到0.8倍左右，当时，系统处于过调制状态，继续升高m参数，基波电压会继续上升，当m为无穷大时输出为方波波形，该情形表示的为电压利用率的上限。采用过调制的方法尽管一定程度上提高了直流电压利用率，但使得输出电压中包含了大量谐波，因此与使用SPWM的预期存在一定的差异。（2）双极性SPWM对逆变电路详细分析可知，产生的谐波对输出产生较大影响，此外衡量PWM逆变电路重要的指标数据就是谐波分量的幅值及相关的频率。当以载波为基础研究分析时，可通过傅里叶分析的方法，此外利用贝塞尔函数研究，当采用双极性SPWM控制方法时，当逆变电路为单向全桥模型时的输出电压谐波分量可通过式1.27表示：（1.27）下面对，时，；，时，。上述两种状态下的对应各层次的谐波幅值计算为：（1.28）其中参数表示的为第k次的贝塞尔函数。采用PWM控制方法时，会产生基波整数倍次的谐波含量，此外随着在波比的升高，最高次的谐波与基波相比较而言距离更远，因此高次谐波滤波相对更为容易，为了改善输出电能质量，获得良好的输出电压性能，可通过调节在波比的方式完成，实际运行的逆变电路不可避免的受到外界环境等情况的干扰和影响。（1）SPWM两种调制方式SPWM共包含两种调制技术：单极性和双极性调制法，两者的区别在于，在进行载波调制时是否按照每半个周期对调制波本身或者载波进行一次极性反转，周期及反转的不同因而使得输出电压不同，输出的电平参数为正电平、负电平及零电平。逆变电路输出的电压需要一定的滤波处理后才能使用，不能直接施加在板桥电路上。当采用线性调制方法时，产生的谐波更加明显，此外随着开关次数整数倍谐波的消失，低次谐波含量也下降，从而便于滤波。（2）倍频SPWM调制SPWM调制方法最大的特点在于，通过设置正弦调制波与三角载波两者比较分析，获得互补的控制脉冲信号，此外在设置另外同一正弦波与反向的三角载波两者比较分析，从而得到另外一桥臂脉冲信号。使用的倍频信号与SPWM控制方式不同，该方式能够充分的利用直流电压，具有较高的效率、伴随着输出电压脉动频率的升高，一定程度上影响谐波特性，除基波外其他谐波均是偶数倍。（3）PWM电流跟踪法PWM电流跟踪控制法包含PWM控制、电流控制两个模块，控制时根据实际情况给定单相或三相电流信号，将传感器采集的数据与逆变装置的输出电流i做差比较分析，差值作为控制器的输入信号，完成各个开关器件的开通和关断。PWM电流跟踪控制的逆变装置种类较多，大多采用电流滞环跟踪的方式，通过给定的电流信号与实际的电流信号两者做差，将该数据与上、下两个宽度为h的误差滞环做比较。当时，采用的滞环比较器输出高电平，如果对上桥臂开关进行驱动时，此时S1会顺利导通，继续加大负载电流的参数，当其升高到大小时，此时采用的滞环比较器根据需要会产生一定的反转。当S1输出低电平信号后关闭，经过一段时间的死区间隔，此时无法精准的对S2是否导通判断。尽管开关管已经换向，但负载电流仍未反向，经过续流二极管D2继续维持电流的流通，随着续流电流减弱，采用滞环控制，保持给定值与输出值在范围之间，此时波形图呈现出锯齿状。如果波形为正弦波的给定电流，输出电流与正弦波相类似。根据上面的分析，采用电流滞环可以便捷的获得PWM脉冲控制信号，其频率即为开关管运行的频率，由于开关管变化较快，因此频率并不固定。此外当滞环宽度h发生变化后，频率呈反向变化的趋势。开关管频率的升高，对设备运行的要求更高，损耗也越大，精度降低。上述针对PWM控制的电流滞环控制，可以有效的将特定频率下的谐波分量滤除，该方法运行的主要机理在于开关切换时，由于无法保证开关频率为恒定，因此会对负载产生一定的特定谐波干扰，通过该方法滤除谐波从而获得良好的信号。如图1.11所示采用三相电流滞环的PWM仿真模型分析图，下面对各个模块参数分析：给定幅值为1A的正弦信号，各相位互差120°，直流电压设置的幅值为500V，滞环比较器环宽h=0.1A，有功功率1200W，感性无功为500Var，仿真时间设置为0.06s。图4-11三相电流滞环控制的PWM逆变电路仿真模块对各个参数设置完成后，因此可得到如下对应的仿真波形图，由上而下对应的各个曲线分别为：a相电压、a相电流、ab线电压、直流电流波形图。图1.12a相电压电流，ab线电压线电流仿真数据图1.13逆变电路相电流波形图图1.14电流滞环控制方法下的FFT谐波数据根据上面对波形进行FFT分析可知，设置的调节滞环宽度为h，从而改善输出电流质量，减少输出电流中包含的谐波含量，但该方法也存在一定的不足，如导致开关频率升高。当参数h的取值为0.01A时，得到图1.15所示的波形图。图1.15h=0.01A时逆变电路输出波形图图1.16逆变电路输出电流畸变率数据从图1.16可知，逆变电路输出电流总畸变率THD=1.23%。1.2.3滤波模块电流的控制需要满足快速跟踪的性能要求，因此设置的电感需要设置一定的上限，由于电流变化的快速性能要求，因此电感可通过式1.29计算[45]：（1.29）经过计算使用的电感数值往往较大，主要作用是有效抑制电流产生的纹波用心，当并网电流处于峰值状态下时，会产生较大波动，因此经过计算当电流纹波的电流参数小于时，采用双极性即可完成对应的调制信号，计算式为：（1.30）当采用双极性方法对调制信号调制时，计算式为：（1.31）根据式3.31所示，各个参数表示为：直流侧电压为；电网电压有效值为；并网电流有效值为；纹波系数为；载波周期为。1.2.4太阳能电池板并网系统图1.17光伏电源并网控制原理图上面针对光伏并网控制原理图进行了详细的介绍分析，并对各个运行模型进行了搭建，分布式并网系统控制主要包含如下几个方面[46]：（1）占空比控制：光伏电池板输出电压C1与比较分析，在经过比例模块和载波处理后，如果获得的比较值大于0，则开关开通，反之关断。经过光伏模块处理后输出电压设为。如果输出电压正好为，则此时占空比系数为0.5，如果输出电压较大，占空比大于0.5则开关S开通，如果输出电压较小，占空比小于0.5则开关S关断。通过上述运行方式调节占空比系数，实现MPPT最大功率点跟踪特性，当采用电导增量法分析时，控制电压完成MPPT跟踪特性。（2）扰动观测法控制：如图1.18所示为扰动观测法的实现步骤，对输出的电压参数进行检测和分析，如果输出电压为正数，按照电压变化分析，如果输出功率为负数，需要调整输出电压。在仿真分析时，根据获得的电压变化状态与检测到的电压状态（C1上电压）两种不一定相同，当数据出现差异状态下，以最终的测量数据为准。图4-18扰动观测法实现步骤（3）逆变环节，经过整流处理的直流电压需要将其作为逆变器的输入信号，系统运行控制的主要参数是电流，可有效改变注入电网的功率，此外通过调节电流信号还可完成直流侧电压的调节，保证系统稳定运行。仿真分析时没有考虑到系统并网后对并网运行状态造成的影响，当将太阳能电池板产生的所有电能注入到整个电网体系后，并网电流的参考数据通过测量的功率除以并网处监测到的电压获得。下面对图1.19所示的并网模型图各个参数介绍：电容C1，电容C2，电感，经过计算滤波电感，有功功率及无功功率分别用P和Q表示，系统载波频率，扰动电压，仿真步长s，初始状态下光照强度，系统运行0.04s后，调节光照强度到的水平，初始温度设定为25℃，系统运行0.07s后，调节温度参数并朝下降的趋势，如图1.19为采用扰动观测法下的太阳能电池板并网模型图。图1.19扰动观测法下的太阳能电池板并网模型图图1.20扰动观测法下子系统模块控制模型图图1.21光伏阵列输出电压、电流、功率、C2电压输出数据图图1.22扰动观测法下光伏并网电流数据图图1.23并网电流快速傅里叶分析数据1.3太阳能电池板并网影响光伏太阳能板并网后对系统会注入一定的谐波含量，特别在并网点处会产生较大的电压波动，主要对光伏电源影响较大的有：并网容量、并网距离、电流谐波含量以及电压谐波畸变率，查阅参考文献可知，随着距离的上升，造成的电压畸变率也越大，电流畸变率降低，此时电压畸变占主要因素；随着并网容量的降低，电压畸变率升高，电流畸变率降低。根据上面的仿真分析可知，当光伏电源处于并网状态下，产生的谐波电流对并网点处的电压波形畸变影响较大。改变并网容量、并网距离对并网点处的电压、电流幅值及对应的波形畸变率均会产生较大影响，下面通过表1.1对改变并网容量和距离后的参数对光伏电源并网的影响进行分析。表1.1并网容量和并网距离对光伏电源并网的影响并网容量（MW）并网距离（km）电流谐波总畸变率（%）电流幅值（A）并网电压（V）并网电压畸变率（%）1000.12.9228.33251.421000.22.8528.33263.221000.32.8428.23265.161000.42.8228.23276.05900.12.9028.33271.52800.13.0128.23271.41500.12.8828