【《光伏直流并网系统分析综述》4000字】

光伏直流并网系统分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u13182光伏直流并网系统分析综述 1293951.1光伏发电系统简介 16631.2光伏电池模型及输出特性 211371.3光伏阵列最大功率点跟踪 5235881.3.1最大功率点跟踪方法 5110591.3.2扰动观察法 6127351.4并网控制策略分析 71.1光伏发电系统简介光伏发电系统通常由太阳能模块、电力电子变换器、控制器、能量存储设备、交流负载、直流负载等组成。其组成结构如图3-1所示。光伏模块主要通过光伏效应产生直流电。由于每个单独的电池都是光伏模块中最小的模块，因此可以实现约600mV的最大电压。如果需要更高的输出电压，则需要几个光伏模块，电池单元串联和并联连接以实现电压稳定和放大。图3-1光伏发电系统组成光伏发电系统的主要运行模式有两种：孤岛运行和并网运行：孤岛运行是指光伏模块在发电后不会与大型电网或其他发电机并联运行，并由控制器控制。然后通过DC/DC转换直接连接到储能设备，例如DC电网，DC负载或电池，或通过DC/AC功率转换设备直接连接到AC负载。这种发电方法目前被广泛使用，例如太阳能路灯、偏远地区新能源发电系统、小型电源、便携式现场电源、微型DC电源或用于航空卫星系统的UPS等。光伏发电的并网运行意味着光伏模块输出的直流电通过升压直流/直流转换器，达到电网并网等级要求。电压幅度必须与电网匹配，并且控制并网电流以控制电网连接主电源。在并网运行期间，根据能量存储设备的存在与否，可以将其细分为可调度的并网发电操作模式和不可计划的发电操作模式。当光伏发电的容量太高或电网能耗低时，电池组可以将多余的能量存储在电池组中并发运到电网上。光伏电池在晚上或阴雨天气中无法正常工作，市电已达到耗电量。在高峰时间，存储在电池组中的电能会提前释放并连接到电网。另外，电池组的良好充电和放电管理可以更好地解决电力不足的问题，在阴天中输出光伏模块的电能，从而使中间电路的输出电压稳定。但是，此操作模式必须包含大量电池组。由于当前电池容量的瓶颈，系统覆盖范围很广，并且初始投资成本和随后的维护成本很高。计划外并网且没有电池储能装置，可将光伏电池产生的直流电直接转换为交流电网络和本地交流电负载。这种模式的主要缺点是光伏阵列无法在下雨天或夜晚发电，如果这适用于定期停电和发电，电网可以根据预测提前分配电力，而不规则停电和发电发电会引起电网的突然变化。但是，由于非分布式并网发电操作的简单，成本低和占地面积小，因此它被广泛应用。1.2光伏电池模型及输出特性光伏电池通常在表面上涂有抗反射材料。接收光后，在电池的PN结处产生光伏效应。光撞击P和N区域的价电子，并使它们接收的能量大于结合的共价键，从而产生新的不平衡空穴电子对，它们是“光生电荷载流子”。在原始势垒电场的作用下，不平衡的电子和不平衡的空穴在P和N区域迁移，P区域的电子迁移。移动到N区域，并将N区域中的孔移到P区域。在电子和空穴迁移过程中，会产生一个与原始电势垒相反的新电场-光伏电池的电压。当负载从外部连接时，会形成方向性电流，该方向性电流显示为从Р区流向电池外部N区的电流。光伏电池物理模型[35-36](3-1)(3-1)(1.1)(3-2) (3-2)(3-3) (3-3)图3-2光伏电池物理模型上式中，(3-4) (3-4)Rs——光伏电池串联电阻(一般取R=0.05Ω左右)；Rsh——光伏电池旁路电阻(一般取Rsh=1kΩ);I——光伏电池输出电流(A);V——光伏电池输出电压(V);Iph——光生电流(A);I0——二极管反向饱和电流(A);Id——流过二极管电流(A);Q——电子电量(q=1.6x10-19C);T——光伏电池绝对温度(K);Tref——光伏电池标准参考温度(°C);Cr——温度补偿系数(本文取C=1.6mA/K);k——波尔兹曼常数(k=1.38x-10J/K);n——太阳能电池中半导体p-n结系数。从式(3-1)~(3-4)，可以得出光伏电池的输出电流为：(3-5) (3-5)光伏电池的串联电阻Rs在理想条件下可以设置为0，即串联电阻Rs短路，同样，光伏电池的分流电阻Rsh在理想条件下也可以视为无穷大，并且该分支可以是被视为开路。流过它的电流为0，因此可以将式(3-5)的输出电流简化如下：(3-6) (3-6)由式(3-6)可解得光伏电池的输出功率为：(3-7) (3-7)通常根据开路电压参数的测量来对光伏电池的输出电压进行研究，此时的输出电流为0，即I=0，通过替换等式(3-7)获得的输出电压V为开路电压Voc，其表达式为：(3-8) (3-8)由式(3-8)可得二极管的反向饱和电流计算公式为：(3-9) (3-9)同样，当光伏电池的输出短路时，输出电压变为0，即V=0。这时，流过反并联二极管的电流Id会被忽略，输出电流大约为短路电流，即Isc≈I，则短路电流为：(3-10) (3-10)化简式(3-10)可得：(3-11) (3-11)(3-12(3-12) 从以上推导中，可以得出光伏电池输出功率的简化公式为：(3-13)(3-13)光伏电池数学模型[37-38]上述物理模型更多地涉及其工作原理和工作过程分析。其输出属性的分析主要使用数学模型。上述物理模型的组合可以在标准条件下获得，即光强度S=1000W/m2，即在Ta=25℃的参考温度下光伏电池的数学模型：(3-14) (3-14)(3-15) (3-15)根据实验条件，对式(3-14)、(3-15)进行修改，以获得短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压表达式为：(3-16) (3-16)式中：Voc—开路电压；Ic—短路电流；Vm—最大功率点电压；Im——最大功率点电流；C1,C2——补偿量；a——电流变化温度系数，本文取a=0.0025/℃；b,c——经验常值，取b=0.5，c=0.00288。由上述模型可知，光伏电池的输出特性受环境影响，并且这些影响是非线性的，光伏电池的输出最大功率会随着照度、温度、湿度以及其他条件的改变而改变。因此，当光伏阵列发电时，应始终跟踪光伏阵列的最大输出。1.3光伏阵列最大功率点跟踪1.3.1最大功率点跟踪方法从以上分析可以看出，光伏电池在不同的温度和太阳辐射下具有不同的初始特性。然而，在每种情况下，光伏系统的最大输出功率点(MPP)只是为了传递能量，为了获得最大利用率，必须在光伏系统上执行最大功率跟踪(MPPT)。通常，通过改变光伏阵列的输出电压来设置对光伏阵列的最大功率的跟踪。正常情况下，负载线，光伏IU曲线和PU曲线的交点为最大功率点，如果外部环境变化，改变Z阻抗源转换器的占空比可以改变光伏阵列的输出电压以追求最大功率点。当前有许多跟踪光伏阵列最大性能的方法，但通常将它们主要分为以下三种[39-40]：基于优化数学模型的控制方法：该方法基于已建立的数学模型，用于创建光伏阵列的输出特性，以获得最大输出功率。控制方法的有效性在很大程度上取决于数学模型和参数设计的准确性，目前的主要方法包括电流采样法和电压比例系数法。(2)基于故障的自优化控制方法：该方法基于改变光伏电池的输出电压和输出电流，以使光伏电池的输出功率无限接近理想的最大功率点。不需要检测外部环境的任何变化，只需检测输出电压即可，主要方法是扰动观测(P＆O)法和电导增量法等。(3)人工智能控制方法和非线性控制方法：这种方法主要用于通过一组规则或多样本训练来教人们智能水平，以实现自适应自我优化的能力，主要包括模糊控制、神经网络控制等方法。因此，应根据被控对象环境、控制精度、响应速度和系统成本等系统参数要求来选择控制方法的实际应用。表3-1比较了不同控制方法的优缺点[41-43]。表3-1不同MPPT控制方法对比控制方法优点缺点实际测量法避免因电池老化带来的准确度降低成本较高，在多峰值情况下测量误差较大开路电压比例系数法控制相对简单，根据开路电压与最大功率点电压之间的比例关系(0.76倍)，实现容易比例系数是一个经验值，与真值的差异将导致功率损失恒定电压法控制简单，容易实现，稳定性高控制精度较低，效率低，需要工作人员根据不同环境条件手动调节输出电压值扰动观察法精度较高，控制相对简单，所需测量对象较少，方法优化空间大始终在最大功率点附近震荡，难以实现稳定，步长难以确定，如果出现多峰值情况容易出现误判电导增量法控制精度高，跟踪性能好，不易受环境影响，输出电压稳定控制方法复杂，投入成本较高，控制精度与响应速度难以兼顾模糊控制法无需建立数学模型，控制性能好，速度快算法复杂，编程困难，并且模糊规则设置主要根据工作人员经验本文采用的是扰动观察法。1.3.2扰动观察法扰动观察法(P＆O)是当前用于跟踪最大性能的最广泛使用的方法。它们的工作原理是通过电力电子设备捕获光伏阵列的输出电压和输出电流，并实时计算输出功率值，然后进行计算。将功率值与寄存器最后保存的功率值进行比较，并确定差值。如果功率高于上次，则确定这次测量的电压值是否高于上次。如果电压高于上一时间，则电压会受到干扰，占空比会增加以增加输出电压。相反，如果这次测量的电压值低于上一次，则必须减小占空比以减小输出电压。如果这次计算的功率值小于上一次，则本次电压值的大小和上次电压值的大小(如果大于上次)，如果输出电压小于上次，则减小输出电压，增加电压值。这种控制方法的优点是控制简单，检测范围小，但整个故障观测过程的计算量大。这是一个实时的比较过程，干扰的大小会影响最大功率跟踪的准确性。如果干扰太小，则跟踪速度会变慢。如果干扰程度太大，则跟踪精度不够高。它在最大功率点附近振荡。如果干扰的大小太大或太小，都会影响最大功率输出。这导致能源的严重浪费，如果天气急剧变化，很容易丢失掉最大功率点。1.4并网控制策略分析本文的光伏直流并网系统控制策略如图3-3所示。光伏电池侧采用的是最大功率点跟踪的控制方式，最大功率点跟踪控制模块通过采样光伏电池板输出的电压电流信号，经过计算得到最大功率下输出电压的参考值，与实际的电压参考电压值进行比较。误差信号经过PI控制器调节之后。驱动准Z源H桥变换器工作，光伏电池输出电压和电流大小可以通过调整变换器的直通状态来进行改变，使其输出功率始终跟踪最