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文檔簡介
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
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