【《光伏发电系统并网策略与MATLAB仿真研究》16000字】

[12]。（2）Boost电路：这种电路的开关管发射极接地，驱动电路也不复杂，而且输入电路连续，所以对电磁的影响可忽略不计；但输出端的输出电压波动比较大，而且电路只能实现升压。（3）Buck-Boost电路：电路并不复杂，同时可随时调整电压；但输入电流是断续的，同时有较高的输入和输出纹波电流，为消除纹波电流就需要较大的滤波电容，这将会带来很大的噪音问题。而且其驱动电路设计比较复杂。（4）Cuk电路：具有上述几种电路的优点，弥补三种电路的缺点，但系统对电容的容量要求比较大，导致成本较高。对比各个电路的优缺点，综合多个方面因素的考虑，本文选择Boost电路作为DC/DC变换电路来实现。通过以上分析以及仿真所需，将使用Boost电路作为最大功率跟踪的控制电路。下图2.11为升压电路的结构图。图2.11升压电路结构图基于本文所构建的模型，选择Boost转换器。以电流连续模式的Boost电路为例，当开关管T导通时，二极管D以逆电压截止，电感器L储存能量，电容C向负载放电形成能量电路。IGBT在电路中运行的时候，电流会在电路中形成回路，电感L可以保存能量。当晶体管不工作的时候，在电感中产生的直流电源以及反电动势他们会趋于一致。二极管的设计是为了切断电路电容的放电REF_Ref8094\r\h[19]。改变晶体管的通断时间，对改变负载端输出电流与电压有着不可替代的影响。电压在负载端的输出为： U0=ton+tofftoffE=在上述式子内，T表示为开关周期,ton代表的是接通时间，toff代表切断时间。升压斩波电路的输出电压多于电源电压，主要包括2个影响要素:第一为L的能量变多后会使电压上升，第二为电容C为输出电压的稳定提供了方便。在上述研究中，开关位于开的情况下由于电容C的影响导致输出电压U维持固定，然而其实C值无法不断变大，在该时期其往负载输出电，Uo自然会下滑，所以真实的输出电压会稍微小于理论上的数值，但是，在电容C值充分大时，误差不大，总体来说不用考虑。在光伏阵列特征、负载维持稳定后，Boost变换器实现稳态时占空比和光伏电池输出电压之间呈单调递减的函数关系，和阵列输出功率具有稳定的函数关系，这为占空比扰动管理措施奠定了基础。图2.12图2.13在图2.11中，设从k-1至k时刻，发现光伏工作点从A挪移至B点，就是ΔP=Pk-Pk-1为正值，ΔU=Uk-Uk-1为正值，这意味着现阶段的工作点在最大功率点的左端，工作点需要往右端挪移。根据D-U曲线我们发现，工作点需要往右端移动（也就是从A点挪移至B点）就要求减小占空比D，类似地，可探讨其他3种状况，就这样会产生以占空比扰动为条件的扰动观察法的控制流REF_Ref8558\r\h[20]。在这个过程中，只需要采集光伏电池板的输出电压和电流。在上一节本文分析了扰动功率法的基本原理，就是比较当前时刻与上一时刻功率，然后通过分析功率的增减来做出动作。本文还需要使用零阶保持器对电压电流进行采样分析，保持器的功能是将离散信号变更成连续信号，该连续信号近似地再现了对采样器产生干扰的信号。最单一的维持器是将采样信号变更成在两个接连采样的片刻间维持常量的信号，此类保持器便是零阶保持器。零阶保持器可以在传达信号时，将第nT时的采样信号数字维持于第(n+1)T时的上一个时间段，将第(n+1)T时的采样结果维持于(n+2)T时，不断推断下去，并将某脉冲序列升级为一不间断的阶梯信号。换言之，其一阶导数的结果是0，所以叫做是零阶保持器REF_Ref8515\r\h[21]。零阶保持器的传递函数为： Gh(S)=1−e−Tss 相应的z变换为 X(z)=（1-Z−1） （2.20ZZ−1 gh(t)=1(t)-1(t-T) （2.21）根据以上分析搭建MPPT升压模型，见下图2.14，2.15。参数设置见图2.16。图2.14MPPT升压模型图2.14MPPT内部模型MPPT控制电路运行结果见下图2.15图2.16MPPT波形运行结果表明当我们采集的电压电流在0.2s受到扰动时可以快速找到最大功率点2.5本章小节本章主要介绍了光伏电池的特性，以及光伏电池的非线性特性，介绍了光伏光伏电池最大功率追踪的原理，在不同光照条件下的I-U、P-U特性曲线。介绍了传统的最大功率追踪方法：恒定电压法、功率扰动法、电导增量法，根据这三种方法的控制原理，本文选择用最常见的功率扰动追踪法。其次介绍了MPPT的常用控制电路，如Buck电路、Boost电路等，并以Boost电路当做控制电路，达成对最大功率的追踪。3变流器系统控制策略3.1控制系统的分类（1）光伏并网发电拓扑结构主要有以下几种单级式并网逆变器拓扑这种逆变器要求在某个功率变换步骤达成电压增加、MPPT追踪、逆变和光伏电电池与电网间的电隔离。图3.1单级式并网逆变器拓扑（2）两级式并网逆变器拓扑通常包括软开关变换步骤与自换相或电网换相的dc/ac变换步骤REF_Ref28273\r\h[22]。图3.2两级式并网逆变器拓扑现阶段,我国对并网型逆变器的分析重点聚焦于与两级的能量变化结构上。其中重点是达成最大功率追踪,而逆变就是为了电网电压与输出电流相位一致。因为变换步骤与逆变步骤拥有其自己的控制目的与方法,两部分能分开开发,系统前后级间的祸合比较宽松,所以系统的管理步骤极易开发与达成，因为单独设立了一级最大功率追踪步骤,这就好比是安排了电压和调整步骤,系统能拥有相对更大的输入空间,最大功率追踪步骤的安排能让逆变步骤的输入基本稳定,同时输入的电压更高,如此都能协助提升逆变步骤的转换效率REF_Ref28675\r\h[23]。但是,系统拥有两个独立的能量转变步骤,该系统的效率不高、重量大、开支大。鉴于上述要素的影响，本研究开发出了并网光伏发电系统运用单级并网型逆变器,此设备可利用一级能量变换达成最大功率追踪与并网逆变两个作用,如此可节约系统的工作时间、使系统的空间与重量变小，同时还能减少系统的成本,进而能降低并网光伏发电系统设计所需的成本,能协助并网光伏发电系统的普遍使用。然而在管理时不仅应兼顾追踪太阳能电池的最大功率点,还应共同确保对电网输出电流满足电网规定,让控制系统变得更为繁杂，在单级式并网系统内,通常使用双闭环。外环控制输入,使得光伏并网系统可以在最大功率点处运行,从而达到最大功率输出。内环控制可使用对管理实时性标准更严格的单周期管理。外环是系统管控的重点，因为单级式光伏并网逆变器只添加了一个能量升级设备,所以系统的组成并不复杂,效率不错、特性稳固。然而在管理时不仅应兼顾追踪太阳能电池的最大功率点,还必须保证对电网输出电流满足电网标准的规定。因为大电感的出现,使直流回路电流变得更加稳定,在开关逆变器的情况下,如果不能保证逆变器输入电流的平稳,将极易对逆变器的平稳运转带来影响,但是电压型逆变器则不会出现这种问题,因此,现阶段的中、小功率变频器基本上都使用电压型逆变器。目前,光伏并网逆变器均是使用电压源逆变电路。对逆变器的管控有电压型控制方法和电流型控制方法两种。前者的焦点是管理输出电压。后者主要是对生成的电感电流进行管控。输出电流是被管理的内容,对电网而言,并网逆变器有高阻抗的特点,所以在电网电压被影响或产生不对称的情况时,逆变器受到电压的干预不会很大。所以,本研究使用电流控电压型逆变器进行并网操作REF_Ref28953\r\h[24]。下图3.3为单级电压型并网逆变模式,交流侧采用L型滤波器的拓扑结构图。图3.3三相桥式逆变器在逆变结束之后选择用L型电感进行滤波，如图3.4。图3.4L型滤波器L型滤波器控制系统的设计简单，但是谐波的衰减速度小，所以使用相对较大的滤波电感。过滤器电感大的话，过滤器的体积就会变大，成本上升，损失也会变高，对功率因数也有较大的影响。LC型滤波器是二阶惯性环，经常用于独立/网络双模光伏系统。在并行网络模式下运行时，LC型滤波器的滤波特性与L型滤波器效果相同，但由于存在支持容量（并行网络模式下相当于负载），所以设计比L型更困难。在独立模式下操作时，LC型滤波器可以有效地滤波电流，高阶谐波LC型滤波导致系统的谐振，影响系统的稳定性REF_Ref9603\r\h[25]。3.2控制器的数学模型（1）直流侧分析首先，列些直流侧电流方程： Cdudt=ISk为开关函数，角频率为ω、相角为α、幅值为m，其中的基波分量S1a， S1a=msin( S1b=msin(ωt+α−2π/3) S1c=msin(ωt+α+2π/3)设电网相电压与并网相电流间的相角为θ，那么 Ia=Im Ib=Im Ic=Im式中：ImI（3.8）（2）交流并网侧分析选取电感电流ia，ib，ic C1dUdcdt=ipv L1dI1kdt=uk0 uck=usk kuk0=kuskskUdcId是指光伏并网逆变器直流端输入电流REF_Ref30592\r\h[26]。为了分析，这里我们使用的是park变换来对三相电压电流进行处理。设系统三相电压如下式所示。 ua=umcosωt ub=umcos(ωt-2π3 ub=umcos(ωt+2π3系统三相电压在三相静止坐标系与dq同步旋转坐标系中的关系见下图。图3.4一般来说，在abc三相电压中，a相相位在b相120度的前面，同时还在c相240度之前。 uα=umcos uβ=umcos(ωt-π结合式（1）和式（2）可得 uα=umcosωt=uuβ=umcos(ωt-3π2)=u（3.19）uc=umcos(ωt+3（3.20）则式（3）至式（5）的关系可得到Clark变换为： uaubu将dq轴电压向αβ坐标轴投影，可得Clark反变换为： uαuβ=3.3电压电流双闭环控制电流内环主要是采用PI控制方式比例调节效果：根据比例反应系统的偏差,系统只要产生了偏差,比例调节将马上自我改变以此减少误差。比例效果大,能进一步调节,降低误差,但是要选取合适的比例，否则还会导致系统性能的波动REF_Ref30928\r\h[27]。积分调节效果：目的就是为系统提升精准性。由于有误差,将实施积分调节,最终到没有误差,当积分调节中止的时候,积分调节导出一个常值。时间常数Ti来决定积分的功能情况。Ti与积分效果之间为反比例关系。相反，Ti大就说明积分效果不佳,在系统中增加积分调节会让系统的稳定性下滑REF_Ref31216\r\h[28]。积分效果往往和另两类调节原理相互融合,构成了调节器。一般而言，PI控制器相关修正步骤的效果包括：第一，偏差只要出现，控制器会马上进行控制，旨在使偏差变小。一般在数字持续变大后，闭环系统的超调量将变大，系统响应变得更为迅速，然而在增加至某种程度时，系统将持续波动。第二，积分步骤。重点使用在去除静差，提升系统的无差度（型别）。积分效果的如何需要看积分常数，积分常数与积分功能间为正相关性。总的来说，在控制工程实践中，PI控制器主要是用来改善控制系统的\t"/item/pi%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8/_blank"稳态性能REF_Ref31451\r\h[29]。基于PI控制器的基本原理搭建光伏系统的模型，见下图为电流内环控制图3.5闭环控制系统3.4逆变控制策略离散函数足够密集是可以近似成为一个连续函数的，因此我们可以用多个矩形脉冲波来代替正弦波，如果在某个时间段内矩形波的大小和正弦波的大小没有很大的不同，那么这一系列矩形波构成的面积就与正弦波的面积一样。其中会有一个问题，就是不会有百分之百的等效，所以为了无限接近等效，矩形波的数量自然是越多越好，但是矩形波的数量和开关频率有着密不可分的关系REF_Ref5576\r\h[30]。（1）等面积法此措施即对SPWM法的陈述，该措施是将SPWM管理的主要原理当做立足点,能较好地核算每个开关的闭合、打开时间,其所获得的波形与正弦波特别靠近,然而其具有计算繁杂,信息占用空间大,无法及时管控的不足。（2）硬件调制法这种方法法是为处理等面积法计算太麻烦的问题所给出的,作用机制是将目标波形视为调制信号,被调制的信号为载波，通过对载波的调制得到相应的PWM波形。使用等腰三角波当做载波，在调制信号波是正弦波时，所获得的便是SPWM波形。而措施简洁，能以模拟电路构成三角波载波和正弦调制波产生电路，以比较器来界定其交点，在交点时对开关的闭合与通行加以管理，将能导出SPWM波。然而，此类模拟电路特别不简单，无法达成精准地管控。因为等面积法无法立即管控，所以我们选取硬件调制法。图3.6SPWM调制锁相环的原理就是通过外部进入信号作为参考值，然后分析振荡信号的频率和相位。锁相环在运行的时候，当输出与输入信号的频率一致时，我们就可以说信号的相位被锁住了，由此产生了锁相环。锁相环的构成需要三个要素：滤波器，振荡器，鉴相器。顾名思义鉴相器的功能就是明确信号间的相位差，然后将相位信号转变成电压信号输出。图3.7锁相环3.5本章小节主要介绍了控制系统的分类，分析控制器的数学模型，简单介绍Park变换的原理。4系统建模与仿真结果分析4.1光伏电池特性分析分析光伏电池的特性，在上文介绍了光伏电池的通用数学表达式，基于Matlab/Simulink对光伏电池进行仿真建模，并对仿真结果进行分析。其中，图4.1是电池仿真模型。其中光伏电池的参数选取为最大功率点电流Im=8.2A，最大功率点电压Vm=30.5V，开路电压Voc=37.7V，短路电流Isc=8.85A。图4.1光伏电池的Matlab仿真模型在上文详细分析光伏电池的非线性特性，图4.2和图4.3分别是光伏电池不同光照强度和温度下的特性曲线。（a）输出电压与输出电流的特性曲线（b）输出电压与输出功率的特性曲线图4.2温度为25°C，不同光照强度下的关系图。（a）输出电压与输出电流的特性曲线（b）输出电压与输出功率的特性曲线图4.3光照强度1000W/m2，不同温度下的关系图。从上面的图4.2和图4.3可知，光伏电池具有强烈的非线性特性，光伏电池的输出电流和输出功率取决于电池的端电压、温度和太阳照射强度。比较这些曲线，观察到随着光照强度的增加，光伏电池的短路电流增加，最大输出功率也增加。开路电压相对于光照强度呈对数上升，短路电流与太阳光照射强度成比例。另一方面，比较发现，随着工作温度的升高，光伏电池的短路电流增加，最大输出功率降低。由于输出电流的增加远小于电压的降低，所以在高温下纯功率降低。4.2两种不同MPPT算法的对比分析比较扰动观察法和电导增量法的优缺点，两种算法设置相同的仿真条件，仿真中采用10串20并结构，即最大功率约为50kW，仿真中温度设置为25°，光照强度初始值设置为1000W/m2，仿真时间设置为0.4s，在t=0.2s时光照强度下降一半。图4.4给出了两种MPPT算法作用下的仿真结果。（a）基于扰动观察法的仿真结果（b）基于电导增量法的仿真结果图4.4两种不同MPPT算法的仿真结果从图4.4（a）可以看出，虽然在扰动观察法下能够实现光伏发电的最大功率点跟踪性能，用时约为0.035s，当光照强度下降时，功率波动比较大，功率波动为-70kW，电压为-800V，虽然经过短时实现了功率平稳过渡。相比图4.4（a），基于电导增量法时，到达最大功率点的时间约为0.018s，在光照强度发生下降时，功率和电压波动都比较小。从而说明电导增量法具有相对较好的控制效果，能够满足实际性能的需要。4.3光伏发电系统仿真建模为了验证本文所提控制策略的正确性和可行性，基于Matlab/Simulink仿真软件进行系统建模与仿真。另外，为了便于分析系统的动态性能，充分说明本文所提控制策略的优越性，光照强度设置不同的参数，系统整体仿真模型如图4-5所示。图4.5系统整体仿真模型从图4-5可以看出，该系统主要包括2个部分。第一部分，光伏发电系统模型，主要包括光伏电池和Boost电路，MPPT算法采用电导增量法，实现对光伏发电系统的最大功率点跟踪控制；第二部分，并网逆变器系统模型。该部分主要包括滤波电感和三相电源，其中控制算法采用前文介绍的电压和电流双闭环控制，电压环PI控制器主要功能就是稳定直流电压，电流环PI控制器采用电流前馈控制的控制系统，最后输出PWM信号，从而控制逆变器的开关管的开通和关断。下面将介绍主要部分的仿真建模，并对其进行实现原理和功能进行详细分析。图4-6给出了并网逆变器控制系统的仿真模型。从图中可以看出，该模块的输入为三相电压Vabc，三相电流Iabc和直流电压Vdc。其中，三相电压Vabc经过软件锁相环PLL可以得到坐标变换公式所需要的信息，然后三相电流Iabc经过坐标变换矩阵变为id和iq。电环PI控制器功能是将直流母线电压稳定到700V，并输出有功电流的参考值id。无功电流的参考值iq=0，目的是实现单位功率因数运行。最后电流环PI控制器的输出值经过坐标变换转化为静止坐标系下的电压作为SPWM模块的输入，从而输出逆变器所需要的PWM信号。图4.6并网逆变器控制系统的仿真模型图4-7给出了SPWM算法的仿真模型。其中，开关频率设置为20kHz。图4.7SPWM算法的仿真模型4.4光伏发电并网系统的仿真结果分析为了验证光伏发电并网系统的动态性能，忽略非线性负载的影响，温度T=25°C，光照强度开始为S=1000W/m2，0.2s时突变为500W/m2，其仿真结果如图4-8至图4-12所示。图4-8给出了光伏电池在在光照强度变化时的仿真结果，当T=25°C和光照强度S=1000W/m2时对应的最大功率点为Pmc=50.72kW，最大功率点电压为608.5V，最大功率点电流为81.7A，根据上文设置的发电参数，可以计算出最大功率功率理论值Pm=49.7kW，最大功率点电压Vm=，最大功率点电流Im=A，仿真结果与理论计算值基本相等，说明光伏发电并网系统实现了最大功率点跟踪控制。另外，当光照强度发生变化时，输出功率也会随着外界条件的变化而变化，从而说明该控制系统具有较好的动态性能。图4.8光伏电池的输出功率、电压和电流的变化曲线图4-9给出了直流侧电压Vdc的仿真结果，从图中可以看出，启动阶段直流侧实际电压能够快速达到参考值700V，调节时间约为0.03s。当光照强度发生变化时，虽然电压有短暂的上升过程，但总体调节时间很短，能够快速响应外界环境的变化。图4.9直流侧电压的变化曲线图4-10给出了三相电压Vabc和三相电流Iabc的变化曲线，从图可以看出三相电压的幅值为311V，由于设置的线电压的有效值为380V，此时相电压的幅值为311V。随着光照强度的减小，此时输出功率逐步减小，三相电流的数值也会逐步减小，仿真结果与理论实际基本吻合。图4.10三相电压和三相电流的仿真结果图4.11给出A相电流的FFT分析结果，从图中可以看出，满载运行时A相电流的THD谐波含量约为0.87%，远小于国家并网要求的性能指标5%，说明该系统能够满足并网的要求和性能指标。图4.11A相电流的FFT分析结果图4-12给出了光伏发电系统并网逆变器的A相电压和A相电流的变化曲线，从图可以看出A相电压和A相电流始终保持同相位，即无功功率基本上为0。从而说明该系统运行单位功率因数运行模式。图4.12A相电压和A相电流的变化曲线从以上仿真结果可以看出，采用本文所设计的控制策略具有较好的动态、静态性能，对外界条件的变化也能快速响应，具有较好的控制品质。4.5本章小结本章重点是根据上述理论研究与管理方法分析，利用Matlab软件进行模型搭建，进行相关实验，分析输出波形。实际波形与理论波形保持一致，再次证明了实验的正确性。5总结与展望5.1总结光伏并网发电作为太阳能发电的一种，根据自身的优点，无疑将成为节省能源发电的一种趋势，本文主要针对在光照强度发生突变时最大功率追踪，三相光伏发电逆变器的工作原理进行了理论分析和研究。通过Matlab软件建立光伏并网模型，进行了相关实验，验证了其正确性。下面对本文所作的工作进行总结。（1）简单分析了目前几种常见的追踪策略，电压恒定法，功率扰动法，电导增量法，最后选取了更加稳定的功率扰动法作为研究对象，观察此方法在光照强度突变时，是否可以快速找到新的工作点。实验结果表明，功率扰动法可以快速稳定的找到新的工作点，但是过程无法避免的会有功率损失的情况。（2）采用了电压电流双闭环系统作为控制策略，分析了Park变换，通过使用PI调节器来改善系统的稳态性能。在Matlab软件中搭建相关仿真模型，进行了相关实验。（3）在逆变器控制方面选取了，SPWM控制算法。因为个人的知识水平较差，实践经验有限，只可对光伏发电并网系统予以基本分析，我们光伏发电在未来的发电中会占有很大的比重，新的控制策略也会层出不穷，本研究仅仅是对光伏并网策略给予了一定的分析。5.2展望新能源发电可以大幅度的降低我们对一次能源的依赖，而且系能源的储量在目前来看可以说是所以说相当丰富，所以目前完全没有必要担心新能源的储量问题。新能源发出的电能最终要并入电网，问题在于当电能并入电网之后会对电网有一定的冲击效果，因此对光伏发电并入电网的问题需要更近一步的研究和探索。其次就是对光伏电池的研究，首先就是要降低光伏材料的价格，使得光伏发电可以被大众所接受。当然对光伏电池的最大功率追踪也需要更加的了解，目前对于功率追踪除了传统的几种追踪方法之外，我国对于其他型的追踪策略也很有建树。因为限于现在的学识水平，只局限于浅层次的研究，如果以后还有机会的画我希望以后还会有机会去研究光伏发电并网问题。参考文献袁建华.分布式光伏发电微电网供能系统研究[D].山东大学,2011.DaiChen,XuTao.ImpactofWindPowerandPhotovoltaicGridConnectiononSubsynchronou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