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光伏并网发电系统建模与仿真 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.27M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 光伏并网发电系统建模与仿真 西灯考1，蔡长青2，刘文洲2，李宁1** （1. 长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012； 2. 长春工程学院电气与信息工程学院，长春 130012） 摘要：本文系统介绍了光伏并网发电系统的建模与仿真，光伏并网发电系统采用双级式结构， 其最大功率跟踪和功率的并网输出分别由前后两级独立控制，采用电导增量法进行最大功率 追踪，提出基于 d 轴电网电压定向矢量控制技术来进行并网逆变控制。在仿真过程中，设定 了不同光照强度和环境温度，该模型能较好地反映光伏并网系统运行的特性，跟踪系统的动 态输出，保证光伏并网发电系统稳定运行,验证了光伏并网发电系统建模和控制策略的正确 性。 关键词：光伏并网；最大功率追踪；建模；仿真 中图分类号：TM615 Modeling and Simulation of Photovoltaic Grid Connected Generation System XI Dengkao1, CAI Changqing2, LIU Wenzhou2, LI Ning1 (1. School of Electrical and Electronic Engineering, Changchun University of Technology, 2. School of Electrical Engineering and Information Engineering, Changchun Institute of Changchun 130012; Technology, Changchun 130012) Abstract:IThis paper introduces the modeling and Simulation of photovoltaic power generation system, photovoltaic power generation system with double stage structure, grid output maximum power tracking and power respectively by around two independent control, maximum power tracking using the incremental conductance method, put forwards the grid voltage oriented vector control technology based on grid connected inverter control. In the simulation process, a different set of light intensity and temperature, the model can well reflect the characteristics of photovoltaic power system, dynamic output tracking system, ensure the stable operation of photovoltaic power generation system, verify the correctness of the photovoltaic power generation system modeling and control strategy. Keywords: Photovoltaic grid connected; Maximum Power Piont Tracking; Modeling; Simulation 0 引言 化石能源的逐渐枯竭，发展可再生能源势在必行。在众多的可再生能源中，太阳能作为 一种新型绿色清洁无污染的可再生能源，备受青睐，是目前最理想的可再生能源之一[1]。近 几十年来，科学技术发展日新月异，太阳能光伏发电已成为世界发展最快的行业之一。光伏 的应用也涉及各个领域，早已被人类应用于航空、海洋、科研、工业、企业、医疗、日常用 品、交通、军事等多个行业，领域不同作用也不同，光伏给人类带来了巨大的贡献和生活便 利。光伏并网发电是太阳能大规模开发利用的必然趋势，具有高环保、低噪声、适用范围广 等优点，而备受社会的青睐。 本文系统的介绍了双级式光伏并网发电系统的建模与仿真。仿真模型主要由光伏阵列模 型、DC/DC boost 电路及其控制部分、并网逆变器及其控制部分等组成。本文采用电导增量 作者简介：西灯考（1989-），男，硕士研究生，光伏发电技术 通信联系人：蔡长青（1971-），女，教授、硕导，主要从事智能控制方向研究. E-mail: 100542@qq.com - 1 -
    中国科技论文在线 法进行最大功率追踪，针对逆变环节提出了基于 d 轴电网电压定向矢量控制技术，最后通过 仿真研究了在不同的光照强度和环境温度下并网系统的运行特性。 http://www.paper.edu.cn 45 1 光伏阵列模型 光伏电池可将太阳能转换成电能，但每个太阳能电池产生的电能非常有限，要想得到充 足的电能和电压，就需要将多个小的太阳能电池有序地串并联连接起来形成光伏电池模块。 当下，被广泛应用的光伏电池阵列就是由许许多多的光伏电池模块有序排列组成的。 常用的光伏电池阵列模型有分析模型和经验模型两种类型，分析模型又包括单二极管模 型和双二极管模型[2]。本文采用单二级管模型，其等效电路如图 1 所示。 phI 0I sR I shR 图 1 光伏电池单二极管模型等效电路 V Fig. 1 Equivalent circuit of single diode model for photovoltaic cells 根据太阳能电池等效电路和电子学理论[3]，太阳能电池的电流方程可以用下式表示： I = I − I 0 ph exp    q V R I ( s + nkT    )    − −  1   V R I s + R sh 其中：I —太阳能电池输出电流（工作电流）；V —太阳能电池输出电压（工作电压）； phI —光生电流，其值与光伏电池的面积大小有关，受光照强度和温度影响； 0I —二极管饱和 ）； sR —太阳能电池的串联电阻；n—二极管特性因 电流； q—电子的电荷量（ /J K ）；T —太阳能电池温度； shR —太阳能电池的并 子； k —玻耳兹曼常数（ 联电阻； × −× 1.38 10 23 1.6 10 C 19 根据以上光伏电池模型，在 Matlab/Simulink 环境下搭建了光伏阵列模型，根据所建模 型可以仿真出太阳能光伏电池板的 I-V、P-V 曲线，在仿真中光照强度分别选取了 200、400、 600、800、1000 等五个值，仿真结果如图 2、图 3 所示。 图 2 I-V 特性曲线 Fig. 2 I-V characteristic curve - 2 - 50 55 60 65
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 P-V 特性曲线 Fig.3 P-V characteristic curve 70 2 光伏并网结构 光伏并网发电系统采用双级式结构，拓扑结构如图 4 所示。DC/DC 变换电路和 DC/AC 变换电路前后分开，分别独立控制着太阳能电池板的最大功率追踪和并网功率输出，控制器 设计简单。后级的光伏并网逆变电路除了能将直流电逆变为交流电外，还能够起稳定直流母 线电压的作用[4]。 L C ACI 75 80 85 Fig. 4 Topological structure of double stage photovoltaic grid connected generation system 图 4 双级式光伏并网发电系统拓扑结构 2.1 前级 DC/DCboost 电路控制策略 在这一部分主要实现光伏阵列的最大功率追踪功能（Maximum Power Point Tracking， MPPT）[5]，前级 DC/DCboost 电路的控制策略直接决定了光伏阵列的最大功率点跟踪的效 果，其控制策略如图 5 所示。由图 2、图 3 可知，光伏阵列的输出特性曲线均为非线性，其 输出功率、电压、电流随光照强度、环境温度等因素的不断变化而变化。即使是在光照强度 和环境温度一定的条件下，光伏阵列的输出功率也因输出电压的不同而不同，只有工作在某 一输出电压，其输出功率才能达到最大值，对比图 3 可以很明显的看到此时光伏阵列的工作 点正好位于 P-V 曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum Power Point，MPP）[6]。所以， 我们就可以对最大功率点进行追踪，即不断调整光伏阵列的工作点，并让它一直处在最大功 率点附近，以此来提高光伏并网发电系统的工作效率。 - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn PVI } PVV L C PVI PVV refV − + 图 5 前级 DC/DC 升压电路控制框图 Fig. 5 Control block diagram of front stage DC/DC boost circuit 如图 5 所示，DC/DC 变换器的控制部分主要完成太阳能电池阵列的最大功率点跟踪控 制。具体步骤如下：MPPT 控制器采集光伏阵列的输出电压和电流，并通过控制算法得到最 佳工作点电压，最后通过 PWM 控制来调节系统的工作点。常用的 MPPT 控制算法有恒电压 跟踪法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络控制法等[7]，这些成熟的算法大 多已被广泛使用，本文采用电导增量法。 90 95 根据光伏电池的 P-V 特性曲线，在最大功率点处可得 / d IV dV V dI dV I ( = ⋅ dP dV = ，即 + = 0 )/ 0 / 化简上式可得： dI dV = − I V 100 根据此式可以判断光伏阵列是否工作在最大功率点，将其画在 I-V 曲线上， dI dV 与 − I V 的 对应关系图如图 6 所示。 图 6 光伏电池 I-V 曲线上 dI dV I V and Fig. 6 The relationship between dI dV − − 的关系图 与 I V on I-V curve of photovoltaic cell 105 dI dV 与 − I V 根据图 6 中 的对应关系，我们可以把最大功率点追踪简化为判定光伏阵列输出 端口电压与最大功率点电压的位置关系，进而可通过 PWM 控制使光伏阵列输出电压不断往 最大功率点电压 1V 处靠拢，使调节后的光伏阵列工作在最大功率点处[8]。电导增量法的控制 流程图如图 7 所示。 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn V k I k ( ) & ( ) V ref V= ref V ref = V ref − Δ V V ref = V ref + Δ V 110 115 图 7 导纳增量法控制流程图 Fig. 7 Flow chart of admittance increment method 2.2 后级 DC/AC 逆变器控制策略 后级 DC/AC 逆变器的作用是将光伏阵列产生的直流电变换为交流电，并输送到电网中， 逆变器采用基于 d 轴电网电压定向矢量控制技术，即外环直流电压，内环电流的双闭环控制 [9]。这样控制有两个目的：一是通过控制输出电流的有功分量来稳定直流母线电压；二是将 有功无功进行解耦控制，使有功功率平稳输送到电网，必要时可对电网进行无功支持[10]。 并网逆变器的控制原理如图 8 所示。 dcu dcu * sdi * sdi * sqi = 0 sqi squ gwL gwL /dq abc dv * qv * sdu sdi sqi /dq abc sai sbi sci sdu squ /dq abc θ sau sbu scu 120 图 8 并网逆变器整体控制原理图 Fig. 8 Overall control principle diagram of grid connected inverter - 5 - • dcu _C grid ,gL R Grid
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3 仿真结果 基于上文中的理论分析，在 Matlab/Simulink 环境下建立了双级式光伏并网发电系统的 仿真模型，如图 9 所示。该模型主要由光伏阵列模型、DC/DC boost 电路及其控制部分、并 网逆变器及其控制部分等组成。 1000W/m2、1200W/m2、1100W/m2 三个不同的光照强度和 28℃、32℃、26℃三个不同的环 为观察光伏并网发电系统在不同环境下的功率输出特性，本文在仿真过程中设定 Fig. 9 Simulation model of grid connected photovoltaic power generation system 图 9 光伏并网发电系统仿真模型 境温度，仿真时间设为 8s，光照强度 G 和环境温度 Ta 的变化情况如图 10 所示。图 11 为 光 伏阵列端电压、电流及输出功率仿真曲线,图 12 为 并网光伏发电系统输出到电网的有功无 功功率仿真曲线。 32 30 28 26 24 1200 1100 1000 Ta(degree) G(w/ m^2) 900 0 0.5 图 10 仿真设定的环境温度 Ta（0C）及光照强度 G(W/m2)波形 4.5 1.5 2.5 3.5 1 2 3 4 5 Fig. 10 Simulated setting environment temperature Ta (0C) and light intensity G (W/m2) waveform 550 500 20 15 10000 9000 8000 0 V_PV(V) I_PV(A) P_PV(W) 1 1.5 0.5 图 11 光伏阵列端电压、电流及输出功率 2.5 3.5 2 3 4 4.5 5 Fig. 11 Terminal voltage, current and output power of photovoltaic array - 6 - 125 130 135
    中国科技论文在线 Pout(W) 5000 0 10000 9500 9000 8500 8000 7500 7000 6500 http://www.paper.edu.cn Qout(var) 6000 0 2.5 3 3.5 4 4.5 5 3.5 4 2.5 3 1.5 2 0.5 1 1.5 2 0.5 1 -5000 0 图 12 并网光伏发电系统输出到电网的有功无功功率 Fig. 12 Active and reactive power output from grid connected photovoltaic power generation system to grid 由图 11 可知，在 0–2s 期间，环境温度从 28℃上升到 32℃，而光照强度维持 1000W/m2 境温度维持 32℃不变时，系统的输出功率增加；在 2–4s 期间，环境温度从 32℃下降到 26℃，而 下降到 1100W/m2，而环境温度维持 26℃不变时，系统发出的功率减少。由此可得结论，当 光照强度维持 1200W/m2 不变时，系统的输出功率增加；在 3–5s 期间，光照强度 1200W/m2 不变时，系统发出的功率减少；在 1–3s 期间，光照强度 1000W/m2 上升到 1200W/m2，而环 4.5 5 环境温度一定时，光照强度越大，光伏系统发出的功率越多，当光照强度一定时，环境温度 越高，光伏系统发出的功率越小，这正与光伏电池的特性相符合。 图 12 为并网光伏发电系统输出到电网的有功和无功，其有功功率相对于光伏阵列输出 的有功功率减小了，这是因为开关器件和滤波电阻的损耗所致。由于对无功控制参考量设为 0，图 12 也显示了输出无功为 0，证明控制策略和搭建模型的正确性。 4 结论 本文在 MATLAB/simulink 中建立了光伏并网系统的模型，运用电导增量法和基于 d 轴 电网电压定向矢量控制技术对系统进行最大功率跟踪和并网控制，并运用仿真分析在不同光 照强度和不同温度下，该模型能较好地反映三相光伏并网系统运行的特性，跟踪系统的动态 输出，保证光伏并网发电系统稳定运行。通过仿真分析验证了光伏并网发电系统建模和控制 策略的正确性。 [参考文献] (References) [1] 刘文洲，西灯考，蔡长青，李宁，刘巡.太阳能光伏发电系统 MPPT 综述[J].长春工程学院学报(自然科学 版),2016,17（3）：39-41. [2] 程玮.光伏和风力发电系统的动态建模[D].杭州：浙江大学，2012. [3] 才利存，常忠廷.太阳能并网发电系统的 MPPT 及孤岛检测技术[J].电力系统保护与控制，2012，40（4）： 119-124. [4] 刘飞.三相并网光伏发电系统的运行控制策略[D].武汉：华中科技大学，2008. [5] 马尚行，戴永军，何金伟.光伏逆变器的并网控制技术研究[J].电源技术，2011，35（6）：688-690. [6] 李小叶，李永丽，张玮亚.基于多功能并网逆变器的电能质量控制策略[J].电网技术，2015,39（2）：556-562. [7] 丁明，王敏.分布式发电技术[J].电力自动化设备，2004，24(7)：31-32. [8] 孙自勇，宇航，严千贵等.基于 PSCAD 的光伏阵列和 MPPT 控制器的仿真模型[J].电力系统保护与控制， 2009，37(19)：61-64. [9] 张泽云.含光伏电源的配电网保护研究[D].保定：华北电力大学，2011. [10] 杨秋霞，赵清林，郭小强.三相光伏并网逆变器电流扰动孤岛检测建模及分析[J].电力系统自动化，2012， 36(4）：45-49. - 7 - 140 145 150 155 160 165 170
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