微电网光伏发电动态特性研究

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文 微电网光伏发电动态特性研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化2班 届 次 2015届 学生姓名 魏庆亮 学 号 20110764 指导教师 郗忠梅 副教授 二一五年六月五日装订线. . . 28 目 录摘要IAbstracrtII绪论：11 光伏发电原理及控制31.1 引言31.2 光伏发电工作原理31.3 光伏电池的数学模型41.4 光伏电池的仿真模型51.5 光伏电池动态特性的仿真分析62 光伏发电最大功率跟踪控制模式82.1 引言82.2 MPPT仿真模型的建立102.2.1 MPPT仿真模型102.2.2 DC-DC升压斩波电

2、路模型112.2.3 PWM脉冲宽度调制仿真模型122.3 仿真分析133 简单微网模型的建立与仿真173.1 引言173.2 微电网模型的建立173.3 配电网模型的仿真183.4 蓄电池模块的仿真193.5 微电网并网193.6 微电网由并网变为孤岛时的仿真214 结论22参考文献24致谢25附录26ContentsAbstractIIItroduoction：11. Photovoltaic generation principle and control31.1 Introduction31.2 Photovoltaic generation peinciple31.3 Mathema

3、tical models of photovoltaic cells41.4 The simulation model of photovoltaic cells51.5 Simulation analysis of dynamic characteristics of photovoltaic cells62. Photovoltaic maximum power point tracking control model82.1 Introduction82.2 Building of MPPT simulation model102.2.1 MPPT simulation model102

4、.2.2 DC-DC boost chopper circuit model112.2.3 PWM pulse width modulation simulation model122.3 Simulation analysis133. Modeling and Simulation of a simple micro-grid model173.1 Introduction173.2 Building of a simple micro-grid model173.3 The simulation model of distribution network183.4 The simulati

5、on model of battery simulation module193.5 Simulation of microgrid access distribution networks193.6 Simulation of microgrid-off time214. Conclusion22References24Acknowledgement25Appendix26微电网光伏发电动态特性研究魏庆亮 （山东农业大学 机械与电子工程学院 泰安 271018）摘要：随着科学技术和现代工业的发展，工业用电量越来越来大，能源利用越来越紧张，环境污染越来越严重，分布式发电技术无疑是一种很有前景的

6、发展方向，其本身具有污染少、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面的优点，但如果大量接入分布式电源又会引起许多不利的影响，于是便出现了微网技术，由于建立微网系统受限于其复杂性和条件的限制，所以只能是基于软件来建立微网的模型进行研究。微电网系统包括分布式电源、负荷、储能装置和控制装置。微电源的种类也有很多，比如光伏、风能、燃料电池等，光伏电池具有无污染、可再生、且安装方便等优点，一直是人们重点研究的对象，在未来很有可能成为替代能源。本文主要研究光伏电池模型的建立及以光伏为主要电源建立的一个微网并网的简单模型。主要内容如下：首先根据光伏电池的发电特性和数学模型建立了一个通用的光伏电池模型，通过仿真研

7、究了光伏电池的发电特性，采用了扰动观察法实现了最大功率跟踪控制，介绍了扰动观察法的工作原理和算法模型，接着建立了一个由光伏电池为主要电源的简单的微网，且分析了微网直接并网时对微电网频率的影响，及并网稳定运行时微网断开对配电网电压和频率的影响，最后分析了并网运行时由于故障等原因微网突然断开时在不加储能系统和加上储能系统的情况下对微网电压和频率的影响。关键词：光伏电池 最大功率跟踪 微电网Photovoltaic Generation Dynamic Characteristics Research in MicrogridQingliang Wei(Mechanical & Electrical

8、 Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018)Abstract With the development of science and technology and modern industry, more and more to large industrial electricity consumption, energy use more and more intense, more serious environmental pollution, distributed

9、 generation technology is undoubtedly a promising direction of development, its itself has less pollution, high energy efficiency, flexible installation location and many other advantages, but if a lot of access to distributed power will cause many adverse effects, however, to micro-network technolo

10、gy can solve this problem, since the establishment of micro network system is limited by its complexity limitations and conditions, it can only be based on the software to create a micro-grid research platform. Micro-grid system consists of distributed power, load, energy storage devices and control

11、s. Kind of micro power supply, there are many, such as solar, wind, fuel cells, photovoltaic cells clean, renewable, and easy installation, etc., has been the object of focus of the study, in the future is likely to become an alternative energy source. This paper studies the establishment of photovo

12、ltaic cells and photovoltaic models as the main power source to establish a simple model of microgrid grid. The main contents are as follows:First, a mathematical model based on the generation characteristics and photovoltaic cells to establish a common photovoltaic cell model simulation of the powe

13、r generation characteristics by photovoltaic cells, using the perturbation and observation method to achieve maximum power tracking control, the working principle and perturbation observation algorithm models, followed by the establishment of a photovoltaic cell as the main power source of simple mi

14、cro network, and analyze the impact of micro-grid frequency micro net direct and network, Network and stable operation of the distribution network disconnection micro-grid voltage and the impact of frequency, in the final analysis not add due plus energy storage systems and micro-network failure and

15、 other reasons suddenly disconnected impact on micro-grid voltage and frequency of the case of the energy storage system and network runtime.Keywords: photovoltaic cells; maximum power point tracking; micro-grid绪论：现在世界范围内绝大多数国家仍是以石油、煤、天然气为主要的能源，而且这些资源都是不可再生的，经过一百多年的工业发展和能源的开采，如今这些不可再生能源正在面临枯竭1，毫无疑问，

16、在未来世界经济的发展中，对于能源的利用更是源源不断，而且使用量只会越来越多，同时，大量化石能源的使用造成了极大的环境破坏，对于环境问题已经成为了人们不可忽视的问题，如何保证经济持续发展的同时保护好环境，是人类必须要考虑的问题。而这迫切的需要我们寻找替代能源，而且替代能源必须是清洁能源 ，所以近些年来人们积极开发对于风能、太阳能、地热能等形式的发电技术，由此分布式发电发技术得以快速的发展，而且毫无疑问，这是走上可持续发展的必经之路2。在这些清洁型能源中，尤其是以太阳能最为优越，其具有可再生，无污染、而且分布广泛等优点，已经被社会公认为传统能源的可替代品3。现在大型电力系统的电能生产、输送和分配主

17、要有集中发电、远距离输电和大电网互联三种形式，其也存在一些不利的因素，包括不能灵活的跟踪负荷的变化，还有在大型互联系统中，一旦发生局部事故，其极易扩散影响整个系统的安全性。这两方面也暴漏出来电网的脆弱性。对于分布式发电，其具有安装灵活、污染少、利用率高等优点，但是如果大量接入电网又会引发新的一系列问题4，所以近些年来出现了微网的概念5，微网是由分布式电源、负荷、储能装置和控制装置构成的一个系统，其中分布式电源是由带电力电子装置的小型发电系统，其包括风力发电机、光伏发电、微型燃气轮机等装置。对于微网的发展，可以简单介绍如下：现在很多国家特别是发达国家都在积极研究微电网的发展，然而，每个国家的国情

18、不同，制定的目标和研究方向也就不同。微电网最早的一个概念是由美国电气可靠性技术解决方案协会提出的，至今也是众多定义中比较权威的一个，微电网是由微型电源（小于等500kW）和负荷共同构成与外部大电网相独立的单一的受控单元，它向用户提供电能和热量的同时满足用户对电能质量和供电安全可靠等要求；微电源的能量转换和控制是通过电力电子器件来完成的。美国CERTS的微电网能够灵活智能控制并自治运行的重要支撑是电力电子技术，建立在此技术基础上CERTS微电网的显著特性为：即插即用（plug and play）和对等（peer to peer）。即插即用意味着在主电网的任何点任何一个微电网可以在任何时候接入，而

19、并不会对电网的控制和保护系统造成影响；对等是指在微电网中所有的器件和设备都是完全平等的，任何一个负荷或微电源退出运行都不会对微电网产生影响。这有利于 DG 以较高的比重接入微电网系统。日本是电价比较高的国家，其大部分工业都是靠自己进行发电，自给自足。所以日本研究的微电网包含了以传统供电形式独立运行的电力系统。例如在日本三菱公司，微电网按照规模大小被分为三类：小规模，发电容量10MW左右，燃料为可再生能源，应石油，应用于工业园；大规模，发电容量在 1000MW 左右，燃料为石油和煤，应用于工业区。此外灵活交流输电系统（FACTS）装置也被引入了配电网，通过 FACTS控制器快速灵活的特性达到配电

20、网的资源优化的目的。现在，日本已经建立起来了多个微电网工程。在欧州，从电力市场需求及电能安全供给等角度出发，在 2005 年欧洲提出了“聪明电网”计划6，并在 2006 年推出了实施该计划的具体技术方案7。作为欧洲 21世纪 20 年代及以后的电力发展目标，该计划提出欧洲电网未来应具备的特点：灵活性 、可接入性、可靠性、经济性。基于上述特点，欧洲采用先进电力电子技术和智能技术等实现传统集中供电与分布式发电的高效紧密结合达到充分利用可再生能源的目的，在社会各界的努力下，引导社会力量广泛参与电力市场，使电网快速发展。欧洲未来电网提出充分利用微电网能量利用多元化和智能性等特点。欧盟微电网项目（Eur

21、opean Commission Project Micro-grids）给出的定义是：为微电源配备储能设备，分为不可控、部分可控和全控三种，通过电力电子器件进行能量管理，实现冷、热、电三联供，充分利用一次能源。现在欧洲已并在实验室平台上验证了微电网的保护、运行、控制、通信及安全等理论。集中于制定相应的标准、研究更加先进的控制策略、建立示范工程等为其后续任务，积极准备传统电网向智能电网的平稳过渡以实现分布式电源的大规模接入。 在文献8中根据我国的实际情况，给出了微电网的含义，其含义如下：发电系统类型按设备不同可分为风力发电机(Wind Generator)、微型燃气轮机(Micro-Turbi

22、ne)、生物质能(Biomass Energy)、内燃机(Gas Engine)、太阳能电池(PV Panel)、燃料电池(Fuel Cell)等；尽可能的利用可再生能源，实现可持续发展；系统容量为 20kW-10MW；根据微电网的具体应用（如与大电网并网运行）的用户配电电压等级为 380V 或10.5kV。微电网运行有两种方式：孤岛运行和并网运行。并网运行是微网的主要运行方式，微网可以中的负荷可以通过大电网或DG得到能源供应，一但大电网发生故障时，微电网能及时断开与大电网之间的联系，从并网运行转变为孤岛运行模式，进行单独运行。 文献9,10采用PseAn/EMTne或Matlab/Simul

23、ink软件建立微网的动态模型,针对电磁暂态特性以及主动和被动隔离情况下的孤网运行状况进行可行性研究,结果表明DG和储能元件可以确保微网运行模式转化的平滑性,减少孤网运行时的暂态影响,保证功角稳定性和电压质量。光伏发电是一种典型的分布式电源，在并网运行与孤岛运行都具有很高的研究价值，其本身具有很大的优越性。它本身具有可再生、分布范围广、无污染、安装灵活等优点，PV产业一直得到国家政策的大力支持，所以得到了大力的发展，同时PV与储能装置配合，有利于微电网的稳定性。光伏发电一直是研究的热点，在文献11中提出了并网光伏发电系统模型结构，其中光伏电源是由一个电池板和buck-boost PWM转换器组成

24、。用一种新的基于小光伏电池板模块的MPPT算法来调节并行的光伏发电电池的电压。针对光伏阵列的特点，文献12提出了基于最大功率点跟踪（MPPT）的光伏阵列并网发电方案，采用电网电压前馈和电流跟踪技术。本文首先分析了光伏发电的原理和数学模型，从而建立了一个通用的光伏电池模型，然后分析了光伏电池的动态发电特性，最后建立了一个微网并网运行的简单的系统，简单分析其并网和断开对频率造成的影响。1.光伏发电原理及控制 1.1引言利用太阳能发电方式有很多，其中做典型的是太阳能发电和太阳能光伏发电，后者称为光伏发电，与太阳能发电系统相比，光伏电池具有结构简单、体积小、清洁无噪声，可靠性高、寿命长等优点，近年来发

25、展迅速，按照采用材料不同，可分为硅型光伏电池、有机半导体光伏电池等多种。现在，硅型半导体光伏电池使用较为普遍，其又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏电池等，其中，单晶硅和多晶硅光伏电池光电转换效率高，非晶硅薄膜光伏电池虽然光电转换效率低但由于具备其他一些优点近年来使用日益广泛。光伏发电是将太阳能转换为直流电，再通过逆变器将直流电转换为交流电。1.2光伏发电工作原理光伏电池是利用半导体 PN 结的光伏效应制成的一种能将光照辐射能直接转换为电能的转换器件。光伏电池是光电转换的最小单元，其不能单独作为发电单元使用，需要将光伏电池进行串、并联并封装后组成太阳能电池组件，光伏电池组件功率一般为几十瓦至

26、几百瓦。由若干太阳能电池组件串、并联构成光伏阵列，它的好坏直接关系到整个光伏系统的性能和质量，是太阳能光伏发电系统中的重要组成部分。图1.1 单个光伏电池模型图 1.1 为单个光伏电池的结构图，光伏效应就是适当波长的光照射到半导体系统上，系统吸收光能后两端产生电动势，光伏电池正是利用这种效应进行光电能量转换，将太阳能转换为直流电能。例如，当光线照射到由 P 型和 N 型半导体材料构成的 PN 结上时，光被半导体吸收后在导带和价带中产生电子和空穴，这些电子和空穴被 PN 结的内建电场分离，然后分别汇集到光伏电池的两极，从而产生电动势。由于光照产生的电子和空穴各向相反方向漂移，从而在内部构成自 N

27、 区流向 P 区的光生电流，如果将 PN 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路。用于这种光电转换的最小单元即是单体光伏电池，单体光伏电池又称为光伏电池片，是光伏电池最基本的单元。1.3光伏电池的数学模型由于光伏电池片容量较小，输出峰值功率也只有 1W 左右、输出电压只有零点几伏，不便于安装使用，也不能满足负载用电的需要，所以一般不直接使用。因此要将几片、几十片或几百片单体太阳能电池根据负载需要，经过串、并联连接起来构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装在透明的薄板盒子内，引出正负极引线，方可独立发电使用。封装前的组合体称之为光伏电池模块组件（module）；而封装之后

28、的薄板盒子称之为光伏电池组合板（简称光伏电池板）。工程上使用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元，其输出电压一般在十几到几十伏左右。此外，再将若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，在串并联组成较大功率的十几个供电装置，即是光伏阵列。IlI光伏电池V_+RshRSIshId图1.2 光伏电池等效电路图1.2所示为光伏电池单元的等效电路模型，等效电路中并联电阻Rsh为漏电阻,Rs为串联电阻，由基尔霍夫电流定律得到光伏电池输出电流 I 为 I=Il-Id-Ish=Isc-I0expV+IRsnVT-1-V+IRsRsh (1-1)式中V、I为光伏电池输出端端电压，Isc为光伏电池的短路电流，I0为二

29、极管反向饱和电流，Id为二极管电流，Rs为光电池等效串联电阻，n为结常数，VT为光电池的热电势，且VT满足VT=ktq。其中k为玻尔兹曼常数（k=1.3810-23JK），t为光电池绝对温度，q为库仑常数，Rsh为光伏电池并联等效电阻。上式为光伏电池的I-V关系表达式，在此表达式中，I0、Rs、n、Rsh四个参数的确定均与光伏电池的温度、光照强度有关，要确定其值非常困难，而且一般与供应商提供的参数是不相匹配的。由于这两方面的原因，同时从工程角度考虑，需要对其进行简化分析，以建立适合工程分析的模型。一般认为光照强度Sb=1000w/m2,电池温度T =25=298K为光伏阵列的标准工作条件。建立

30、的光伏电池的仿真模型是以标准工作条件下的光照强度和温度作为参考值的。建立工程模型时需要做两点近似：一是并联等效电阻Rsh一般很大，使式1-1的V+IRsRsh很小，可以忽略；二是串联等效电阻Rs远远小于二极管正向导通电阻，可以认为Il=Isc。同时考虑到两点条件：一是模型开路时，I=0，V=Voc；二是在最大功率率点处I=Im,V=Vm。下面令C1Isc=I0,C2Voc=nktq,代入整理可得I=Isc-C1IscexpVC2Voc-1 (1-2)代入两个条件，并考虑近似，可以解得：C1=1-ImIscexp-VmC2Voc ,C2=VmVoc-1 ln1-ImIsc-1 所以只要知道Isc

31、 、 Im 、 Vm 、Voc这四个参数，C1、C2便为常数，代入式（1-2）便可求得I-V特性曲线，当光照强度（S）或温度变化（T）时，需要重新进行计算，可按照下式进行估算：T=T-Tb S=SSb-1 Iscnew=IscSSb1+aTImnew=ImSSb1+aT Vocnew=Voc1-cTlne+bS Vmnew=Vm1-cTlne+bS由此得到新的四个参数再进行计算。 1.4光伏电池的仿真模型 由以上讨论可知影响光伏电池的因素主要是光电池温度T和光照强度S，结合以上数学表达式，运用MATLAB/SIMULINK仿真建立光伏电池仿真模型，如图1.3所示： 图1.3 光伏电池仿真模型由

32、式可知以上模型由参数估算模块及光伏的电压电流方程模块组成，左端为估算模块，得到四个参数值，右端则为对应的I-U表达式模块。将模块进行子系统封装后可得到如图1.4所示仿真模型及其对应的参数设置模块： 图1.4 参数设置对话框及其封装模块1.5 光伏电池动态特性的仿真分析 由光伏电池的模型可以建立在不同光照条件下和不同电池温度条件下U-I和U-P的关系曲线，其中参考值取为如上图1.4所示，a,b,c取典型值，对应的MATLAB/SIMULINK仿真如图1.5所示:图1.5 仿真模型图在仿真中运行可以得到不同曲线特性，（1）光伏电池在不同光照强度下的I-V、P-V波形图 光伏电池的温度设定为标准情况

33、下的温度值即T=25C，I-V、P-V波形如图1.6、1.7所示，由图可得出以下结论：i 电流随着电压的变化刚开始基本不变，电压大于25V之后下降速度开始加快，呈现一个明显的非线性。ii 短路电流随着光照强度的降低而减小，且呈现正比例关系。iii 开路电压随着光照强度的降低而缓慢的减小，减小幅度不大。iv 输出功率随着电压的增大先上升后减小，说明在一定的光照强度和温度下，一定存在一个最大功率点。v 输出功率整体变化趋势是随着光照强度的降低而减小,最大功率点对应的电压、电流也 图1.6 不同光照强度下I-V特性曲线 图1.7 不同光照强度下P-V特性曲线相应的减少。（2）光伏电池在不同温度下的I

34、-V、P-V曲线光伏电池的温度设定为标准情况下的温度值即T=25C，I-V、P-V波形如图1.8、1.9所示，由图可得出以下结论：i 电压在一定范围内，温度越高，电流越大，超过这个范围，温度越高的，电流下降速度越快，整体表现为温度低的电流反而高。ii 短路电流随着温度的降低而略有减小，幅度不大，开路电压随着温度的降低而升高。iii 在电压一定的范围内，输出功率随着温度的降低变化并不明显，最大功率点略有上升，其对应的电压增大，电流减小。 图1.8 不同温度下I-V特性曲线 图1.9 不同温度下P-V特性曲线2.光伏发电最大功率跟踪控制模式2.1引言 在实际的光伏发电运行特性中，由于光照强度和光伏

35、电池的温度是不断变化的，使得光伏发电输出的功率总在不断的变化，但由上节讨论可知，在一定的光照强度和温度下，输出功率一定存在着一个最大值，如下图所示： 图2.1 一定光照强度和温度下的P-V波形所以为了保证在一定的光照强度和温度下，光伏电池都有最大的功率输出，必须进行最大功率跟踪（MPPT），最大功率跟踪有很多种方式，包括定电压跟踪法、电流扫描法、电导增量法、开路电压比例系数法、短路电流比例系数法、扰动观察法等，它们的原理和主要特点如下。定电压跟踪法（Constant Voltage Tracking） 定电压跟踪法是一种简略的MPPT控制方法，其忽略了温度变化对光伏电池输出电压的影响，其输出的

36、是一个稳定的电压值，不能跟随外界的变化做出相应的改变，尤其是在气候温度差异比较大的地方，不能对所有的温度都能做出最大功率追踪，其追踪性能太差。现有的一共是两种方法，一是光伏阵列组合法，是根据不同的负荷来改变串并联光伏模块的个数，其跟踪性能很差，二是实际测量法，其是用额外的一组光伏阵列来作为一定光照强度和温度下光伏阵列的参考模型，其优点在于当光伏电池老化时，依旧可以保持准确度，缺点则是大功率时需考虑多重最大值，对于小功率而言则成本较高。电流扫描法（Current Sweep） 电流扫描法通过扫描光伏阵列输出电流的波形来获得光伏阵列的 I-U特性曲线，与此同时，光伏阵列可以通过其特性曲线来获得在最

37、大功率点的工作电压13。通过将扫描电流选择为与其倒数成比例的表达式来简化最大功率点的判断式，则扫描电流可以表示为， it=kditdt （2-1）其中k 为常数。假设 i (t)对时间的倒数不为零，在最大功率点可以推导得出下式，it= Ae-t （2-2）其中 = k，如果 A 选为最大的扫描电流imax，则扫描电流为一个时间常数，从imax到 0 递减的指数函数，it= Aimaxe-t （2-3）如果采用模拟电路，可以很轻松地通过电容的放电来获得扫描电流，也可以通DSP编程很容易的实现。电流扫描法最大的缺点是速度慢。开路电压比例系数法（Fractional Open-Circuit Vol

38、tage）光伏阵列的外特性可知，当光伏阵列的开路电压VOC在不同的光强和温度下发生改变时，光伏阵列的最大功率点电压VMP也近似地随之成比例变化。由此可以得出光伏阵列的最大功率点电压VMP和光伏阵列的开路电压VOC之间存在着近似的线性关系， VMPk1ISC （2-4） 其中k1为比例常数且小于1。虽然这种方法原理简单但是对于不同的阵列k1有不同的取值。VOC可以通过将光伏阵列和负载断开来测得，这样即可以计算出最大功率点VMP。采用开路电压比例系数法不会产生在最大功率点附近的振荡，并且结构简单可以用廉价的模拟电路实现。但由于式 2-4 是一个近似的公式，所以光伏阵列并正的最大功率点上，同时由于测

39、量OCV 是要将负载侧断开，所以存在瞬时的功率损失。短路电流比例系数法（Fractional Short-Circuit Voltage） 从光伏阵列的外特性还可以看出，当光伏阵列的短路电流ISC在不同的光强和温度下发生改变时，光伏阵列的最大功率点电流IMP也近似的随之成比例变化。由此可以得出光伏阵列的最大功率点电压IMP和光伏阵列的短路电流ISC 之间存在着近似的线性关系， IMPK2ISC （2-5）其中K2为比例常数且小于 1，IMP与ISC两个电流的单位一致即可。对于不同的光伏阵列K2有不同的取值。短路电流比例系数法存在和开路电压比例系数法同样的缺点，即由于式 （2-5） 是一个近似的

40、公式，所以光伏阵列并不是工作在真正的最大功率点上，此外由于测量ISC要比测量VOC 复杂。电导增量法（Incremental Conductance）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14，下面介绍电导增量法的原理.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dP/dV0；当dP/dV0 时，V 小于最大功率点电压；dP/dV0 时，V大于最大功率点压。对 P=VI两边求导得： dPdV=I+VdIdV ,由此式可知，当V-IV; 当VVmax时，dIdV-IV;当V=Vmax时，dIdV=-IV。综上所知，可以根据dIdV和IV的关系来寻找最大功率点

41、。扰动观察法扰动观察法是目前比较常用的方法，也称为登山法15。其基本工作原理如下：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，引入扰动的最后结果是系统在最大功率点附近的很小范围内来回振荡；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；另外，当外部环境发生较快变化时，扰动观察法则会损失较大的功率，并且很有可能发

42、生误判。在以上几种方法中，现在应用比较多的是电导增量法和扰动观察法，两者各有优缺点，但都能比较精确的实现最大功率控制，对于电导增量法，其实现算法比较复杂，但是其对于硬件的要求相对较高，对于传感器的精度要求比较高，而扰动观察法实现算法比较简单，对于传感器的要求精度不高，电导增量法相比较于扰动观察法的优点则在于其输出电压比较平稳，并且是以平稳的方式跟踪光照强度和温度的变化，两者共同存在的缺点是步长的选择方面都无法兼顾精度和速度。本文采用扰动观察法结合升压升波电路实现最大功率控制。2.2 MPPT仿真模型的建立2.2.1MPPT仿真模型本文采用扰动观察法建立MPPT的仿真模型，根据扰动观察法的原理所

43、确立的逻辑框图如图2.2所示，由此算法流程图，结合MATLAB/SIMULINK仿真，可以建出如图2.3所示的MPPT仿真模型及其封装模块。在图2.3中，由sign函数来判断U与I乘积的正负，为正则输出1，为负则输出-1，其中上一次采集到的数据由记忆元件进行保存，与下次采集到的数据进行比较，零阶保持器可以使采集到的数据保持到下一个周期，这样，在一个周期内采集到的数据不会发生变化。同时要注意三个零序保持器的采样周期与MPPT控制的采样周期相同，取值可在0.001-0.0001之间，本模型的取值为0.0001s,使模型更加精确，输出则为参考电压信号Vref，此参考电压信号是作为调节和控制控制升压斩

44、波电路的占空比从而调节升压斩波电路的输入阻抗,升压斩波电路将在下一节进行介绍。图2.2 扰动观察法流程图图2.3 MPPT仿真模型及其封装模块2.2.2 DC-DC升压斩波电路模型通过改变升压斩波电路的开关功率控制信号（PWM）的占空比，可以调整和控制光伏电池工作在最大功率点，其还可以提高光伏电池的输出电压，升压斩波电路的拓扑结构如下图所示，根据升压斩波电路的工作原理，可得：VO=Vdc1-D ，Io=Ii1-D ,Ri=VdcIi=R(1-D2)图2.4升压斩波电路拓扑结构由表达式可知，输入电阻与占空比D有关，占空比越大，输入电阻越小，占空比越小，输入电阻越大，通过调节占空比，可以改变输入电

45、阻，根据最大功率输出原理，当输入电阻的大小与光伏电池的等效电阻相等时，输出功率为最大，由此即可实现最大功率的输出。由以上模型，结合MATLAB/SIMULINK仿真，可画出其对应的仿真模型，如下图所示： 图2.5 升压斩波电路仿真模型在以上升压斩波电路仿真模型中，其中有三个参数需要根据文献16进行设置，它们分别为：直流滤波电容CS、升压电感L1、直流母线支撑电容C。2.2.3PWM脉冲宽度调制仿真模型如图2.6所示是由MATLAB/SIMULIK建立的PWM脉宽调制仿真模型及封装模块。 图2.6 PWM仿真模型及封装模块其基本原理是根据参考信号电压Vref与三角载波信号比较产生脉冲宽度调制信号

46、来控制升压斩波电路控制开关的通断。注意零阶保持器的采样周期要与MPPT仿真模块的采样中期保持一致，可取0.001到0.0001之间，PWM信号的频率是由三角载波频率决定。2.3 仿真分析由上面的所建模型组装起来可得到如图2.7所示的带有MPPT控制的光伏电池的仿真模型， 图2.7 带有MPPT 的光伏电池仿真模型下面开始进行分析:i 在标准情况下的仿真分析在标准情况下，光照强度取S=1000w/m2,温度取为T=25C。在标况下的光伏电池输出电流、输出电压、输出功率及升压占波电路输出电压波形如图（a）、（b）、（c）、（d）所示。分析四个波形可知，光伏电池输出电压和输出电流在大约经过0.07s

47、之后达到了稳定，虽有波动，但波动幅度并不大，此时光伏电池输出功率达到了最大值，波动幅度不大，对于升压斩波电路的输出电压，可以发现其除了调节和控制最大功率输出的作用外，还提高了输出电压。 （a） 光伏电池输出电流 （b） 光伏电池输出电压 （c） 光伏电池输出功率 （d） 升压斩波电路输出电压ii 光伏电池温度变化时的仿真分析使用信号构建器模块模拟输入温度的变化，0-0.2s输出值为20 ，0.2-0.4s时输出值为40,0.4-0.6s时输出值为30 ，20、40、30代表温度的变化值，光照强度为标准值1000w/m2,波形变化如图（a）、（b）、（c）、（d）所示。分析四个波形可以知道,当温

48、度增加为40度时，光伏电池输出最大电流增大，输出最大电压减小，输出最大功率减小，温度减小到30度时，光伏电池输出最大电流减小，最大电压增大，最大功率略有增加，升压斩波电路输出电压基本不变。从四个波形中还可以看（a） 光伏电池输出电流（b） 光伏电池输出电压（c） 光伏电池输出功率 （d） 升压斩波电路输出电压出，光伏电池随温度变化达到另一个最大功率点所需时间很短，能很快达到最大功率点。iii 光伏电池光照强度变化时信号构建器模块模拟输入光照强度的变化，设定变化范围为从0-0.2s输出值为1000。从0.2-0.4s输出值为600,0.4-0.6s输出值为800，其分别代表光照强度的变化值，电池

49、温度为标况值T=25C，仿真模型波形变化如图（a）、（b）、（c）、（d）所示。分析四个波形可以看出：当光照强度降低时，光伏电池输出最大电流减小，最大电压减小，最大功率减小，升压斩波电路输出电压也减小，但当光照强度增加时，光伏电池输出电流增大，输出电压增大，输出功率增大，升压斩波电路输出电压也增大，总体而言， （a） 光伏电池输出电流 （b） 光伏电池输出电压（c） 光伏电池输出功率 （d） 升压斩波电路输出电压当光照强度变化时，输出功率能在较短时间内调整到最大功率输出，调整时间大约是0.015s。3 简单微网模型的建立与仿真3.1 引言以上已经建立起光伏电池的发电模型、最大功率跟踪控制的仿真

50、模型，下面面建立一个只有光伏电源组成的微电网模块、简单的大电网模块和蓄电池模块，将这三个模块拼接在一起，研究微网并网时对本身频率及配电网频率的影响及微网断开时，在微网系统中不加储能系统（即蓄电池模块）和加储能系统的情况下对微电网频率的影响，在研究这些现象的过程中，均忽略了对逆变器的控制部分，由于该微电网的容量非常小，所以影响并不大，通过仿真可以进行验证。3.2 微电网模型的建立首先在带有MPPT的光伏电池模型的升压斩波电路的输出端加一个受控电压源模块，在一定的光照强度和温度下输出一个稳定的电压值，同时为建立微电网的一个简单模型，还需要建立逆变器模型，对于逆变器模型，由于水平有限，暂时忽略了与微

51、网并网或者断开时需加的控制部分的影响，只是简单加了一个PWM正弦波脉冲宽度控制，控制逆变器输出50Hz的正弦波，同时，由于逆变器是采用电力电子装置器件构成的，所以不可避免的逆变器输出电压存在很大的谐波，需要加滤波电容器进行滤波，这里采用的滤波电容器的容量为100F，通过仿真，发现滤波效果很好。该微电网一共有两级变压器，第一级将微电网电压升到380伏，达到用电负荷所需要的电压等级，之后又并接了一个三相并联RLC负荷，设定负荷的有功功率为4000W，无功功率为 500var，负荷与变压器之间的线路设定长度为1000米，采用的线路类型为串联RLC支路。对于光伏电池，调整其参数，使短路电流Isc=14

52、.66A，开路电压Voc=354V,光照强度和温度采用标况值=1000w/m2,T=25C，最大功率点对应电流Im=13.88A,电压Vm=288V,a、b依旧取典型值，经过参数调整之后，使光伏电池的输出功率达到了4000w,与负载基本匹配。由于所建微电网模型太大 ，现将带有MPPT的光伏电池模型进行封装，如图3.1、3.2所示为带有MPPT的光伏电池模型、封装之后的模型及微电网的模型。 图3.1 光伏电池及其封装模型图3.2 微电网仿真模型3.3 配电网模型的仿真本文配电网模型的仿真比较简单，其模型如图3.3所示：图3.3 配电网模块在以上模型中的电源电压为10千伏,视在功率为1万伏安，其作

53、为一个平衡节点，同时配电网并联了一个并联RLC负载，模型的左端串接了一个电压测量模块、变压器模块及断路器模块，这是与微电网相连接的那一部分。3.4 蓄电池模块的仿真 蓄电池的模块如下图所示： 图3.4 蓄电池模块如图所示，是将一个蓄电池模块逆变为50HZ的交流电，经过升压变压器升高到380伏电压，变化器还有一个作用，起到滤波的作用，电压升高之后经过断路路器接到微电网上去。对于蓄电池电源，采用200Ah的容量，且处于满负荷状态3.5 微电网并网将上面三个模型组装起来，便构成一个带有储能系统的微电网并网系统，如下图所示：图3.5 微电网并网模块在此模型中，光伏电池采用标况下的值，T=25，光照强度

54、S=1000W/m2，此时不考虑蓄电池的作用，将蓄电池侧的断路器断开，主要考虑一下两种简单情况：i 微电网直接并网对微电网频率的影响首先考虑当微电网单独运行时其频率变化的情况，然后再比较将微电源直接并网时频率变化的影响，设定微网运行的时间是0.4S，微电网单独运行的频率变化波形仿如图3.6所示。对于微电网直接并网的仿真，先将配电网侧的断路器断开，在0.01s时将配电网侧的 图3.6 微网单独运行时频率变化 图3.7 微网直接并网时频率变化断路器闭合，运行0.4s，观察微电网侧的频率变化特性，频率变化特性如图3.7所示。从两个图中可以看出，当微电网单独运行时，频率大约经过0.28s达到稳定，其变

55、化的最大幅度0.18Hz,为当微电网直接并网时，大约经过0.16左右的时间频率达到稳定，最大变动幅度在0.17Hz,变化幅度基本不变，现在在大电网的带动下，能在比较短的时间内达到频率稳定。ii 微电网接入稳定运行的配电网对配电网频率电压的影响微电网与配电网各自稳定运行0.2s，当到了0.2s时，使配电网测得断路器闭合，观察配电网侧频率和电压的变化，其变化图像如图3.8所示。由这两个仿真图像可以看出，首先配电网经过0.05s左右的时间达到稳定，到了0.2s时微电网并网，配电侧只需经过0.05s左右的时间即可恢复到50Hz，振荡时间非常短。从 图3.8 配电网频率和电压变化曲线图中也可看出对于配电网的电压基本没有影响。分析其原因，是由于配电网侧容量比较大，微电网并到配电网不会对其造成很大的影响，自我调节速度比较快。3.6微电网由并网变为孤岛时的仿真微电网并网运行一段时间后，将微电网与配电网断开，然后观察在两种情况下对微电网频率变化的影响，两种情况分别为在不加储能系统的情况下、微电网断开时加上储能系统的情况，对于光伏电池，采用标况下温度T=25，S=1000w/m2.i 不加储能系统的情况下与配电网断开微电网首先并网运行并网0.4s，