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基于Ma t l a b/S i mu l i n k的光伏系統(tǒng)仿真研究

2013-01-16 08:32:42高俊營(yíng)龔信華王飛龍董博常迪
電網(wǎng)與清潔能源 2013年3期
關(guān)鍵詞:輸出特性光照度太陽(yáng)能

高俊營(yíng),龔信華,王飛龍,董博,常迪

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003;2.華北電力大學(xué)研究生院,河北保定071003;3.華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,河北保定 071003)

隨著當(dāng)前世界能源短缺危機(jī)日益嚴(yán)重和節(jié)能減排戰(zhàn)略計(jì)劃的推進(jìn),世界各國(guó)都開始著重開發(fā)利用綠色可再生能源,以期緩解能源和環(huán)境的巨大壓力。太陽(yáng)能發(fā)電,風(fēng)能發(fā)電,燃料電池和高速飛輪等清潔無(wú)污染、分布范圍廣、可以分散建設(shè)、就地發(fā)電、使用壽命長(zhǎng)且維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)勢(shì)得到各國(guó)的廣泛關(guān)注。

據(jù)預(yù)測(cè),太陽(yáng)能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位,不但要替代部分常規(guī)能源,而且將成為世界能源供應(yīng)的主體。預(yù)計(jì)到2030年,可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上,而太陽(yáng)能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上;到2040年,可再生能源將占總能耗的50%以上,太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上;到21世紀(jì)末,可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上,太陽(yáng)能發(fā)電將占到60%以上。這些數(shù)字足以顯示出太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位。

本文以小型光伏發(fā)電系統(tǒng)為例來(lái)模擬大規(guī)模光伏系統(tǒng)的并網(wǎng),本文將光伏系統(tǒng)分成3個(gè)模塊進(jìn)行仿真研究,分別是光伏陣列模塊、DC/DC及MPPT模塊和DC/AC模塊。

1 光伏陣列建模

太陽(yáng)能電池I-V特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān),可以認(rèn)為太陽(yáng)能電池的I-V方程含有日照強(qiáng)度和電池溫度作為參變量。通常日照強(qiáng)度S變化范圍為0~l 000 W/m2,電池溫度變化范圍為10~70℃。

1.1 光伏電池模型的建立

1.1.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立[1-4,7]

圖1為光伏電池的等值電路[1-2],介紹了光伏電池的原理及參數(shù),其中各個(gè)參數(shù)的代表含義見(jiàn)下。

圖1 光伏電池的等值電路Fig.1 The equivalent circuit of PV cells

具體參數(shù):Iph:光生電流;ID:暗電流;IL:負(fù)載電流;Uoc:開路電壓;Rs:串聯(lián)電阻;Rsh:旁路電阻。

其中的電流關(guān)系滿足:

根據(jù)電流關(guān)系,列出等值電路的電流關(guān)系表達(dá)式為:

忽略串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻,可得:

標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件Snom=1000 W/m2,Tnom=25℃下,將上式表示為[3]:

式(3)中的C1、C2分別為,其中:

一般工況下,輻照度S和溫度T與標(biāo)準(zhǔn)工況的相應(yīng)參數(shù)的差為:

一般工況下的參數(shù)計(jì)算:

1.1.2 光伏電池Simulink模型的建立

根據(jù)上面的原理分析和參數(shù)介紹,進(jìn)行Simulink模型的搭建,然后根據(jù)不同溫度、光照度條件下電池輸出特性進(jìn)行研究。單個(gè)電池的Simulink仿真模型的封裝見(jiàn)圖2。

圖2 光伏電池封裝圖Fig.2 The package diagram of PV cells

單塊電池的Simulink仿真模型見(jiàn)圖3[4]。

圖3 單塊電池的仿真模型Fig.3 The simulation model of single cell

1.1.3 輸出特性研究[5]

根據(jù)不同溫度和不同光照度下電池模型的輸出特性進(jìn)行研究,主要選取了5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比仿真,其中將功率-電壓曲線和電流電壓曲線分開研究。通過(guò)輸出波形可以清楚地表現(xiàn)電池的輸出特性。

第一組:溫度15,光照度1000 W/m2

第二組:溫度25,光照度1000 W/m2

第三組:溫度35,光照度1000 W/m2

第四組:溫度25,光照度900 W/m2

第五組:溫度25,光照度1100 W/m2

下面介紹光伏電池的輸出特性曲線,見(jiàn)圖4~圖7。

1.2 電池陣列的實(shí)現(xiàn)

電池陣列采用八串四并的形式,見(jiàn)圖8,依據(jù)分壓原理和電流的輸出特性,將光伏陣列電壓的八分之一作為電池模塊的電壓輸入。

圖4 不同溫度下的伏安特性曲線Fig.4 I-U characteristic curve under different temperature

圖6 不同光照強(qiáng)度下的伏安特性曲線Fig.6 I-U characteristic curve under different light intensity

電池陣列在串并之前做了一些處理,將光伏電池的電流輸出通過(guò)控制電流源并電阻轉(zhuǎn)換成電壓,以便于電池的串并聯(lián),然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行串并,形成太陽(yáng)能陣列,控制電流源并電阻的模型見(jiàn)圖9。

圖8 電池陣列模型Fig.8 PV array model

圖9 電流源并電阻模塊Fig.9 Current source and the resistance module

圖5 不同溫度下的功率特性曲線Fig.5 Power characteristic curve under different temperature

圖7 不同光照度下的功率特性曲線Fig.7 Power characteristic curve under different light intensity

2 DC/DC和最大功率跟蹤

2.1BOOST升壓電路

在DC/DC變換模塊中使用BOOST升壓電路[6],使變換后的電壓達(dá)到500 V。開關(guān)使用IGBT模塊,控制信號(hào)由MPPT模塊控制的PWM模塊提供。

圖10為升壓式變換電路示意圖,當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí),電源向電感儲(chǔ)存能量,電感電流增加,二極管截止,電容C向負(fù)載供電,此時(shí)Vin=VL。當(dāng)開關(guān)Q截止時(shí),電感電流減小,釋放能量,由于電感電流不能突變,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)左負(fù)右正,迫使二極管導(dǎo)通,并與電源一起經(jīng)二極管向負(fù)載供電,同時(shí)向電容充電,此時(shí)V0=Vin+VL。所以,輸出電壓大于輸入電壓。

圖10 Boost電路拓?fù)鋱DFig.10 Boost circuit topology

2.2 最大功率跟蹤模塊

MPPT的控制有很多方法,這里采用的是擾動(dòng)法[4,7]。擾動(dòng)觀察法具有控制簡(jiǎn)單、清晰、被測(cè)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。在光照和溫度不變的情況下,光伏特性曲線是1個(gè)以最大功率點(diǎn)為極大值(最大值)的單峰函數(shù),擾動(dòng)觀察法就是對(duì)這個(gè)單峰函數(shù)的尋優(yōu)過(guò)程。通過(guò)對(duì)電壓進(jìn)行小擾動(dòng),判斷功率輸出的變化方向,進(jìn)而向最大功率點(diǎn)逼近,MPPT的流程圖如圖11所示。

圖11MPPT控制流程圖Fig.11 MPPT control flow chart

2.3 仿真模型及曲線

DC/DC實(shí)現(xiàn)MPPT的Simulink模型見(jiàn)圖12。

圖12DC/DC模塊仿真模型Fig.12 DC/DC module simulation model

設(shè)初始光照強(qiáng)度為S=1000 W/m2,T=25℃。圖13和圖14分別為當(dāng)光照和溫度發(fā)生變化時(shí),通過(guò)MPPT控制所得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真圖形[7]。

圖13 光照由1000 W/m2變?yōu)?00 W/m2時(shí)的MPPT仿真圖Fig.13 MPPT simulation diagram when the light changed from 1000 W/m2to 500 W/m2

圖14 光照由25℃變?yōu)?5℃時(shí)的MPPTFig.14 MPPT simulation diagram when the light changed from 25℃to 75℃

3 光伏系統(tǒng)通過(guò)VSC并網(wǎng)

VSC是基于電壓源的換流器,它利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的控制方法,進(jìn)行直流輸電,以全控型的功率器件如IGBT作為開關(guān)器件,使得VSC具有可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率的優(yōu)點(diǎn),可以向無(wú)源網(wǎng)絡(luò)送電,克服了傳統(tǒng)直流輸電的本質(zhì)缺陷[6]。

3.1 同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)原理

電壓型三相并網(wǎng)逆變器在工作時(shí)要求在穩(wěn)定直流側(cè)電壓的同時(shí),實(shí)現(xiàn)交流側(cè)在單位功率因數(shù)條件下的正弦波電流控制。本模型采用直接電流控制,相對(duì)于電流間接控制增加了電流閉環(huán)控制,網(wǎng)側(cè)的電流閉環(huán)控制使控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨性大大提高、使控制系統(tǒng)的靜態(tài)誤差大大降低;同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)電流的控制對(duì)系統(tǒng)參數(shù)不敏感,使系統(tǒng)的抗擾性大大提高[8]。

同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)從控制的角度講就是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的固定開關(guān)頻率直接電流控制技術(shù)。為了讓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出無(wú)靜差,有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性,采取對(duì)前饋電壓解耦控制從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流和有功電流的獨(dú)立控制。控制框圖如圖15所示。

圖15 基于同步坐標(biāo)系直接電流控制技術(shù)的雙環(huán)控制框圖Fig.15 The double loop control block diagram based on the synchronous frame

控制框圖如圖15所示,其中的坐標(biāo)變換模塊需要由鎖相環(huán)模塊提供相應(yīng)的相位角。采集三相交流電網(wǎng)電壓和電流進(jìn)行(a-b-c)坐標(biāo)系到(d-q)坐標(biāo)系的變換,電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量以 d軸定向,對(duì)應(yīng)d、q軸的電流電壓分量分別為id、iq、ed,且滿足:

式中,Em為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)峰值,id為有功電流分量,iq與d軸垂直,即與電網(wǎng)電壓矢量垂直,故為無(wú)功電流分量。三相電壓型并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)下的數(shù)學(xué)模型可表示為:

id和iq相互耦合,不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制,所以該數(shù)學(xué)模型是一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng),只有消除id和iq的耦合項(xiàng)才能達(dá)到解耦的目的。

將式(6)代入式(5)中可使三相并網(wǎng)逆變器的電流內(nèi)環(huán)(id、iq)實(shí)現(xiàn)解耦控制,這樣就可以對(duì)有功功率和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的調(diào)節(jié)。

3.2 DC/AC仿真模型

這里使用基于VSC的換流器將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電能并入交流電網(wǎng),其控制器的控制方式如圖16所示,逆變器的仿真模型如圖17所示。

圖16 VSC控制器Fig.16 VSC controller

圖17 逆變器仿真模型Fig.17 Inverter simulation model

4 系統(tǒng)仿真

將光伏陣列模塊、DC/DC及MPPT模塊和DC/AC模塊整合得光伏并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真模型和交流側(cè)電壓、電流波形。光伏系統(tǒng)仿真圖見(jiàn)圖18。

圖19,圖20和圖21分別為不同功率因數(shù)時(shí)的交流側(cè)的電壓電流的波形圖。

圖18 光伏系統(tǒng)仿真圖Fig.18 Photovoltaic system simulation diagram

圖19 單位功率因數(shù)時(shí)的A相電壓電流波形Fig.19 A phase voltage and current waveform at unit power factor

圖20 發(fā)出感性無(wú)功時(shí)的A相電壓電流波形Fig.20 A phase voltage current waveform when generating perceptual reactive power

圖19為單位功率因數(shù)時(shí)的電壓電流波形圖,可以看出VSC在單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí),交流側(cè)的電壓和電流是同相位的。由圖20可以看出發(fā)出感性無(wú)功時(shí)的,電流是超前電壓。由圖21可以看出吸收感性無(wú)功時(shí),電壓是超前電流的。

圖21 吸收感性無(wú)功時(shí)的電壓電流波形Fig.21 A phase voltage current waveform when absorbing perceptual reactive power

從并網(wǎng)電壓、電流波形上看,該仿真能較好的實(shí)現(xiàn)MPPT的追蹤控制,并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓有較好的跟蹤效果,較好地實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)電流的單位功率因數(shù)輸出,電壓和電流相位實(shí)現(xiàn)同頻同相,但同時(shí)由于MPPT模塊中對(duì)參數(shù)的設(shè)置不夠準(zhǔn)確,仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

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