光伏并網(wǎng)建模與仿真

1、光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)建模與仿真【摘要 】：為開展太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的研究，本文通過電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM技術(shù)其諧波小、直流側(cè)電壓利用率高、算法簡單、等特點應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的方法，能夠提高對光伏電池輸出直流電壓的利用，從而達(dá)到改善整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能。【關(guān)鍵詞 】：光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；SVPWM 技術(shù)1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包括以下三個部分：光伏陣列模塊、逆變器、控制器和電網(wǎng)，圖 1是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中光伏電池板接受太陽光照射，將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電，經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變?yōu)榻涣麟娕c配電網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)運行。圖 1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.光伏電池數(shù)學(xué)模型光伏電池是光伏

2、電源的最小單元，通常將一系列小功率的光伏電池組成光伏組件，再根據(jù)功率等級通過串并聯(lián)形成光伏陣列、得到光伏電源。光伏電池的基本結(jié)構(gòu)是能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能的PN 結(jié)，圖2 顯示了其精確的等效模型，由光生電流源、二極管、串聯(lián)和并聯(lián)電阻組成。光伏電池產(chǎn)生的光生電流ph 與光照強度成正比，流經(jīng)二極管的電流、Id隨著結(jié)電壓d 及逆向飽和電流sat 的不同而變化。圖 2 光伏電池的等效電路1/10相應(yīng)的 U -I 特性為：q (U IRs )U IRsI I phId e AkT1（1.1 ）Rsh式中，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38 ×10-23J/K； q=1.6 ×10-19C，為電子的

3、電荷量；T 為溫度； Rsh和Rs為并聯(lián)和串聯(lián)電阻 ;A 為二極管的理想因子,1A2，當(dāng)光伏電池輸出高電壓時A=1，當(dāng)光伏電池輸出低電壓時 A=2 ； I ph 和 I d 分別為光生電流和流過二極管的反向飽和漏電流， I ph 和 I d 是隨環(huán)境變化的量，需根據(jù)具體的光照強度和溫度確定。工程上光伏電池的應(yīng)用模型通常只采用供應(yīng)廠商提供的幾個重要參數(shù)，包括標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（光照強度 Sb1000W / m2 ，環(huán)境溫度 Tb25 C ） , I sc (光伏電池短路電流），I m （光伏電池最大功率點電流），Voc （光伏電池開路電壓）Vm （光伏電池最大功率點電壓）。根據(jù)以上參數(shù)，在工程精度的要求范

4、圍之內(nèi)，建立工程應(yīng)用的光伏電池數(shù)學(xué)模型，需要對表達(dá)式（ 2.1）做簡化，隨著外界環(huán)境的變化，推算出當(dāng)前環(huán)境下（電池溫度為T ，光照強度為 S）的光伏電池參數(shù)I scc ， Vocc ， I mm ， Vmm ，并求得此時光伏電池的I-U 特性曲線。VS1SSrefVT TrefTI sccI scS(1VSrefa T )VoccVoc (1 cVT )In(e（ 1.2）bVS)I mmI mS(1VSrefa T )VmmVmm (1VVc T )In (eb S)1.2.光伏電池仿真模型根據(jù)光伏電池的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink 中建立仿真模型。模擬光伏電池在不同光照強度下

5、的 ( Tb25 C ) I-U ， P-U 特性曲線和在不同溫度（ Sb1000W / m2 ）下的 I-U， P-U特性曲線。1.光伏電池在不同光照強度下的( Tb 25 C ) 的 simulink 仿真模型2/10圖 3 不同光照下的光伏電池模型仿真 I-U 、P-U 特性曲線圖圖 4 不同光照強度下光伏電池I-U 特性曲線圖 5 不同光照強度下光伏電池P-U 特性曲線3/102.光伏電池在不同溫度（Sb1000W / m2 ）下的 simulink 仿真模型，圖6 不同溫度下的光伏電池模型仿真 I-U 、P-U特性曲線圖 7 不同溫度下光伏電池I-U 特性曲線4/10圖 8 不同溫度

6、下光伏電池P-U 特性曲線仿真分析根據(jù)述特性曲線圖，可以得出光伏電池伏安特性具有明顯的非線性特點。光伏電池既不是恒流源，也不是恒壓源，也不能為負(fù)載提供任意大的功率，它是一種非線性的直流電源。2. SVPWM 技術(shù)空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM 從電壓空間矢量的原理出發(fā)，實質(zhì)是對三相正弦波中注入了零序分量的調(diào)制波進(jìn)行規(guī)則采樣的一種變形的SPWM 技術(shù) ,但 SVPWM 技術(shù)較 SPWM 技術(shù)具有更高的直流側(cè)電壓利用率，更低的開關(guān)頻率和更好的動態(tài)性能。圖9 三相橋式電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 9 為三相逆變橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相逆變橋的目的是按照一定的規(guī)律來控制三對橋臂晶體管的通斷，將直流側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換為三相正弦

7、電壓輸出。如圖9 所示， 每相的上橋臂與下橋臂的開關(guān)動作相反，把上橋臂開關(guān)導(dǎo)通而下橋臂開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)記為“1 ”，相反的，上橋臂開關(guān)關(guān)斷而下橋臂開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)記為“0 ”，因此，三相逆變電路一共有8 種開關(guān)組合，對應(yīng) 8 種電壓的輸出狀態(tài)（基本電壓矢量）,可分別命名為 U 0 (000) 、 U 1 (001)、 U 2(010) 、U 3 (011)、 U 4 (100) 、 U 5 (101)、 U 6 (110) 、 U 7 (111) ，其中 U 0 、 U 7 成為零矢量，其余6個有效矢量成為非零矢量。非零矢量的幅值均為2U d / 3 ， 空間位置依次相差60°， 這 6個非

8、零矢量分別位于一個正六邊形的6 個頂點位置，將空間劃分為6 個扇區(qū)，而兩個零矢量位于原點 。5/10表 1 逆變器交流側(cè)電壓與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系表 1給出了逆變器交流側(cè)的輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系。由于逆變器輸出的電壓矢量只能是上面 8種離散的狀態(tài)，無法獲得連續(xù)電壓矢量的運行軌跡，所以利用這8種狀態(tài)的線性組合即可合成任意參考電壓矢量U ref ，來實現(xiàn) SVPWM 信號的實時調(diào)制。一般分為以下三個步驟：（ 1）判斷參考電壓矢量 U ref 所在的扇區(qū)；（ 2）計算相鄰兩開關(guān)電壓矢量作用的時間；（ 3）根據(jù)開關(guān)矢量作用時間合成三相PWM 信號。2.1參考電壓矢量 U ref 所處扇區(qū) N的判斷根據(jù)參考

9、電壓矢量U ref 所在的二維靜止坐標(biāo)系軸和 軸的分量 U、 U來判斷 U ref所在扇區(qū) N。U1U令： U23U U（3.1）U33UU若 U>0，則 A=1, 否則 A=0;若3UU若3UU>0, 則 B=1, 否則 B=0;>0, 則 C=1,否則 C=0。式中： A=sign （ U 1 ）； B=sign （ U 2 ）； C=sign （ U 3 ）。令 N=4C+2B+A ，通過 N取值不同值來判斷 U ref 所在扇區(qū)。表 2 N 與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系N315462扇區(qū)IIIIIIIVVVI6/102.2為了算出相鄰兩個矢量的分別作用為了算出相鄰兩個矢量的分別作

10、用時間T1 、 T2 ，我們定義：X3U Ts/ 2U dY(3U3U)Ts / 2U d（3.2）Z( 3U3U)Ts / 2U d對于不同的扇區(qū)，T1 、 T2 的作用時間按表3 取值， T1 、 T2 賦值后，還要對其進(jìn)行飽和判斷。若 T1T2Ts / 2 ，取 T1T1 / (T1T2 ) gTs / 2 ， T2 T2 / (T1T2 )g Ts / 2 。表3 T1 、 T2 對應(yīng)關(guān)系賦值表扇區(qū)號IIIIIIIVVVIT1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-ZX2.3 根據(jù)開關(guān)矢量作用時間合成三相PWM 信號要合成三相 PWM 信號，首先要計算矢量切換點Ton1 、 Ton 2 、

11、Ton3 的值。Ta(TsT1T2)/2定義： TbTaT1TcTbT2則在不同的扇區(qū)內(nèi)根據(jù)表4 矢量切換點 Ton1 、 Ton 2 、 Ton3 賦值表表4進(jìn)行賦值，計算矢量切換點。扇區(qū)號IIIIIIIVVVITon1TaTbTcTcTbTaTon 2TbTaTaTbTcTcTon3TcTcTbTaTaTb得到矢量切換點后，可與三角載波進(jìn)行比較，最終獲得6路脈沖送入三相逆變橋的控制輸入端。2.4SVPWM 仿真模型SVPWM 算法在 simulink 中搭建的仿真模塊如圖所示7/10圖 10 SVPWM 波生成模塊3. 光伏并網(wǎng)仿真3.1 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)simulink 模型IabcUa

12、bc圖 11 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用的是PQ 控制， PQ 控制是通過調(diào)節(jié)有功電流和無功電流使其跟蹤參考電流實現(xiàn)的。發(fā)電系統(tǒng)只向電網(wǎng)輸出有功功率，即Qref 為零，逆變器功率因數(shù)為1.0；在某些特殊情況下，并網(wǎng)系統(tǒng)也可以輸出無功功率，Qref 不為零。對d 軸、 q 軸電流采用PI調(diào)節(jié)，從而得到電壓的控制量，再通過坐標(biāo)變換來進(jìn)行SVPWM 控制逆變器進(jìn)行并網(wǎng)。8/103.2 仿真模型三相光伏并網(wǎng)仿真模型如圖11 所示，仿真參數(shù)設(shè)置如下：電網(wǎng)電壓為380V ，頻率50Hz ，直流側(cè)母線電壓600V ，輸出有功功率參考值為14Kw ，無功功率參考值為0var。設(shè)置 d 軸參考電流值為30A ，q 軸參考電流值為0A 。圖 11 光伏并網(wǎng)simulink 模型電流仿真圖級分析圖 12 并網(wǎng)電流仿真圖（ a）9/10（ b）圖 13 電網(wǎng)電壓A 相電壓與并網(wǎng)A