基于Matlab軟件平臺的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實訓

1、 緒論新能源是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定力的五大技術領域之一。隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源需求逐年增長，而地球上以石油和煤為主的礦物資源日漸枯竭，能源已成為制約各國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。同時，隨著化石燃料的燃燒，所產(chǎn)生的二氧化碳在大氣中的濃度急劇增加，生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，使地球逐漸變暖。隨著人類社會的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境的呼聲越來越高，開發(fā)利用無污染的新能源，對促進社會文明與進步，發(fā)展經(jīng)濟，改善人民生活具有重大的意義。太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源，在日常生活中受到了各國政府的重視，各國都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過

2、蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)。太陽能并網(wǎng)發(fā)電代表了太陽能電源的發(fā)展方向，是21世紀最具吸引力的能源利用技術。光伏發(fā)電技術根據(jù)負載的不同分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種，早期的光伏發(fā)電技術受制于太陽能電池組件成本因素，主要以小功率離網(wǎng)型為主，滿足邊遠地區(qū)無電網(wǎng)居民用電問題。隨著光伏組件成本的下降，光伏發(fā)電的成本不斷下降，預計到2013年安裝成本可降至1.5美元/Wp，電價成本為6美分/(kWh)，光伏并網(wǎng)已經(jīng)成為可能。并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)逐步成為主流。 目錄第一章 基于Matlab軟件平臺的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實訓71.1 Matlab軟件介紹71.2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)8第二章 光伏并網(wǎng)逆變器電路工作

3、原理132.1 逆變器定義132.3 逆變器功能作用132.3.2 孤島檢測技術142.3.3 智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)14第三章 SG3525芯片153.1芯片特點153.2 管腳功能 管腳圖16 3.3 結(jié)構(gòu)設計 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.17第四章 制圖184.1 用protel繪制原理圖184.2 根據(jù)原理圖生成PCB電路板圖18第五章 焊接與調(diào)試195.1 電路前面板的設計195.2 調(diào)試結(jié)果.20第六章 實訓結(jié)論21 第一章 基于Matlab軟件平臺的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實訓1.1 、Matlab軟件介紹MATLAB是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）的簡稱，是美國MathWork

4、s公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。時至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題 基本功能MATLAB是由

5、美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像M

6、aple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。1.2

7、、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)是利用光生伏打效應原理制成的，它是將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它主要由太陽能電池方陣和逆變器兩部分組成。如下圖所示:白天有日照時，太陽能電池方陣發(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負載供電。1.1.2 MTTP跟蹤法仿真圖1.1 MTTP仿真圖跟蹤波形如圖1.2所示 圖1.2 跟蹤波形 圖1.3 跟蹤波形PWM輸出波形如圖1.4所示圖1.4 PWM波形Battery蓄電池系統(tǒng)仿真圖如圖1.5所示圖1.5 蓄電池系統(tǒng)仿真圖MPPT最大功率點跟蹤系統(tǒng)如圖1.6所示圖1.6 最大功率點跟蹤系統(tǒng)SPW

8、M波形如圖1.7所示圖1.7 SPWM波形鋸齒波波形如圖1.8所示圖1.8 鋸齒波形1.2 逆變系統(tǒng)仿真圖1.9 逆變系統(tǒng)圖1.10 仿真波形PWM波形發(fā)生系統(tǒng)如圖1.11所示圖1.11 PWM發(fā)生系統(tǒng)第二章 光伏并網(wǎng)逆變器電路工作原理2.1 逆變器定義1.要求具有較高的效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變器的效率。2.要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。

9、3.要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍，由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有重要作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如12V蓄電池，其端電壓可在10V16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。4.在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備，這些設備對電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當中、

10、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免與公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出正弦波電流。2.2 逆變器功能作用由dc/ac轉(zhuǎn)換提升或降低輸入的電壓，調(diào)節(jié)其輸出以實現(xiàn)最大的效率。在經(jīng)過一些附加的電壓緩沖之后，左側(cè)電橋中通常由1820khz的開關頻率，把dc電壓轉(zhuǎn)換為ac電壓。一般來說，單相h橋是dc/ac級的常見配置，但是，也可以采用三相和其他配置。最后，通過低通濾波器產(chǎn)生用于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的正弦交流電輸出。2.3.1 并網(wǎng)保護裝置 并網(wǎng)保護裝置主要實現(xiàn)以下保護功能：低電壓保護、過電壓保護、低頻率保護、國頻率保護、過電流保護以及孤島保護策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設置冗余保護裝置，保證系統(tǒng)

11、故障時及時處理。2.3 孤島檢測技術 孤島效應是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時，并網(wǎng)裝置仍然保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時，電網(wǎng)將不再控制這個電力孤島的電壓和頻率。孤島效應會對光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應必須避免。目前常用的孤島效應檢測方法主要有兩種，分別是被動檢測方法和主動式檢測方法。(A)被動式孤島檢測：孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時的負載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無功交換有很大的關系。電網(wǎng)脫離后有功的波動會引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化，無功的波動會引起光伏系統(tǒng)輸出頻率的變化。電網(wǎng)脫離后，如果有

12、功或者無功的波動比較明顯，通過監(jiān)測并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測到孤島的發(fā)生，這就是被動式孤島檢測方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后，如果有功和無功的波動都很小，此時被動式檢測方法就存在檢測盲區(qū)。（B）主動式孤島檢測：主動式孤島檢測方法中用的比較多的是主動頻移法（AFD），其基本原理是在并網(wǎng)系統(tǒng)輸出中加入頻率擾動，在并網(wǎng)的情況下，其頻率擾動可以被大電網(wǎng)校正回來，然而在孤島發(fā)生時，該頻率擾動可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，從而檢測到孤島的發(fā)生。這類方法也存在檢測盲區(qū)，在負載品質(zhì)因數(shù)比較高時，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統(tǒng)無法檢測到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動會引起輸出電流波形的畸變，同時分析發(fā)現(xiàn)

13、，當需要進行電能質(zhì)量治理時，頻率的擾動會對諧波補償效果造成較嚴重的影響。2.4 智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng) 大型光伏電站由于地處偏遠地區(qū)，常常為無人值守電站。為了準確計量電站的電能輸出及系統(tǒng)運行狀況需要設立智能電量管理及系統(tǒng)狀況監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)往往基于計算機數(shù)據(jù)處理平臺以及互聯(lián)網(wǎng)技術將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進行數(shù)據(jù)分析處理工作，這部分的工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在本文中不在詳述。第三章 SG3525芯片SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存

14、器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。3.1、芯片特點1)工作電壓范圍寬：835V。2)內(nèi)置51V10%的基準電壓源。3)芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬100Hz400kHz。4)具有振蕩器外部同步功能。5)死區(qū)時間可調(diào)。為了適應驅(qū)動快速場效應管的需要，末級采用推拉式工作電路，使開關速度更陜，末級輸出或吸入電流最大值可達400mA。6)內(nèi)設欠壓鎖定電路。當輸入電壓小于8V時芯片內(nèi)部鎖定，停止工作(基準源及必要電路除外)，使消耗電流降至小于2mA。7)有軟啟動電路。比較器的反相輸入端即軟啟動控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動電容。該電容器內(nèi)部的基準電壓Uref由恒流源供電，達到25V的時間為

15、t=(25V/50A)C，占空比由小到大(50%)變化。8)內(nèi)置PWM(脈寬調(diào)制)。鎖存器將比較器送來的所有的跳動和振蕩信號消除。只有在下一個時鐘周期才能重新置位，系統(tǒng)的可靠性高。3.2、管腳功能管腳圖 直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率廠由外接電阻RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，

16、輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。或非門的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PwM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后，VTl及VT2分別輸出相位相差為180的PWM波。3.3、結(jié)構(gòu)設計內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖本電源輸入電壓是由帶隔離變壓器的+30V電源提供，選用SG3525設計的DCDC直流變換器原理圖。性能指標是：輸入電壓為DC2435V可調(diào)，輸入額定電壓為30V，輸出為5V/lA。本系統(tǒng)由SG3525產(chǎn)生兩路反向方波來控制M

17、OSFET的導通與關閉，MOSFET驅(qū)動采用推挽方式，本設計在變壓器的中心抽頭加入30V直流電壓，輸出部分采用全波整流，在輸出點上有分壓電阻給TL431提供參考電壓，并通過光電隔離反饋到SG3525，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來穩(wěn)定輸出電壓。由于本設計采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個開關的通態(tài)壓降，而半橋和全橋電路有2個，因此在同樣的條件下，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，這種拓撲特別適合輸入電壓較低的場合，這也是本設計為什么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時實現(xiàn)直流隔離和電壓變換的功能，磁性元件數(shù)目較少，成本較低。第四章 制圖4.1 用protel繪制原理圖圖4.1 逆變系統(tǒng)原理圖4.2 根據(jù)原理圖生成PCB電路板圖圖4.2 PCB電路板圖 第五章 焊接