基于Matlab軟件平臺(tái)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)

1、 緒論新能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源需求逐年增長(zhǎng)，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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。同時(shí)，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(huì)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(duì)促進(jìn)社會(huì)文明與進(jìn)步，發(fā)展經(jīng)濟(jì)，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(guó)政府的重視，各國(guó)都將太陽能資源利用作為國(guó)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(chǔ)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(jì)最具吸引力的能源利用技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)根據(jù)負(fù)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(shù)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(yuǎn)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(yù)計(jì)到2013年安裝成本可降至1.5美元/Wp，電價(jià)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(tái)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)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(cè)技術(shù)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(diǎn)153.2 管腳功能 管腳圖16 3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì)195.2 調(diào)試結(jié)果.20第六章 實(shí)訓(xùn)結(jié)論21 第一章 基于Matlab軟件平臺(tái)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)訓(xùn)1.1 、Matlab軟件介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（MatrixLaboratory）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)MathWork

4、s公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)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(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。時(shí)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(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)勁的大型軟件。在國(guó)外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題 基本功能MATLAB是由

5、美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)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(shè)計(jì)語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、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(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像M

6、aple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接調(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)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(jìn)行下載就可以用MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)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(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)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(yīng)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(shí)，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(fù)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(diǎn)跟蹤系統(tǒng)如圖1.6所示圖1.6 最大功率點(diǎn)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(jià)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(shè)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(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。

9、3.要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)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(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)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(yīng)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(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的要求，當(dāng)中、

10、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(guān)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(jí)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(hù)裝置 并網(wǎng)保護(hù)裝置主要實(shí)現(xiàn)以下保護(hù)功能：低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、低頻率保護(hù)、國(guó)頻率保護(hù)、過電流保護(hù)以及孤島保護(hù)策略等內(nèi)容。通常大型光伏電站需要設(shè)置冗余保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)

11、故障時(shí)及時(shí)處理。2.3 孤島檢測(cè)技術(shù) 孤島效應(yīng)是指并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)斷電時(shí)，并網(wǎng)裝置仍然保持對(duì)失壓電網(wǎng)中的某一部分線路繼續(xù)供電的狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)的某一區(qū)域處于光伏發(fā)電的孤島狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)將不再控制這個(gè)電力孤島的電壓和頻率。孤島效應(yīng)會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的重連接制造困難，同時(shí)可能引起電氣元件以及人身安全危害，因此孤島效應(yīng)必須避免。目前常用的孤島效應(yīng)檢測(cè)方法主要有兩種，分別是被動(dòng)檢測(cè)方法和主動(dòng)式檢測(cè)方法。(A)被動(dòng)式孤島檢測(cè)：孤島的發(fā)生和電網(wǎng)脫離時(shí)的負(fù)載特性及與電網(wǎng)之間的有功和無功交換有很大的關(guān)系。電網(wǎng)脫離后有功的波動(dòng)會(huì)引起光伏系統(tǒng)端口電壓的變化，無功的波動(dòng)會(huì)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(dòng)比較明顯，通過監(jiān)測(cè)并網(wǎng)系統(tǒng)的端口電壓或者輸出頻率就可以檢測(cè)到孤島的發(fā)生，這就是被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法的原理。然而在電網(wǎng)脫離后，如果有功和無功的波動(dòng)都很小，此時(shí)被動(dòng)式檢測(cè)方法就存在檢測(cè)盲區(qū)。（B）主動(dòng)式孤島檢測(cè)：主動(dòng)式孤島檢測(cè)方法中用的比較多的是主動(dòng)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(dòng)，在并網(wǎng)的情況下，其頻率擾動(dòng)可以被大電網(wǎng)校正回來，然而在孤島發(fā)生時(shí)，該頻率擾動(dòng)可以使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，從而檢測(cè)到孤島的發(fā)生。這類方法也存在檢測(cè)盲區(qū)，在負(fù)載品質(zhì)因數(shù)比較高時(shí)，若電壓幅值或頻率變化范圍小于某一值，系統(tǒng)無法檢測(cè)到孤島狀態(tài)。另外，頻率擾動(dòng)會(huì)引起輸出電流波形的畸變，同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)

13、，當(dāng)需要進(jìn)行電能質(zhì)量治理時(shí)，頻率的擾動(dòng)會(huì)對(duì)諧波補(bǔ)償效果造成較嚴(yán)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(yuǎn)地區(qū)，常常為無人值守電站。為了準(zhǔn)確計(jì)量電站的電能輸出及系統(tǒng)運(yùn)行狀況需要設(shè)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將分散的發(fā)電系統(tǒng)信息收集到集中控制中心進(jìn)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(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存

14、器，有過流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。3.1、芯片特點(diǎn)1)工作電壓范圍寬：835V。2)內(nèi)置51V10%的基準(zhǔn)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(shí)間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場(chǎng)效應(yīng)管的需要，末級(jí)采用推拉式工作電路，使開關(guān)速度更陜，末級(jí)輸出或吸入電流最大值可達(dá)400mA。6)內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路。當(dāng)輸入電壓小于8V時(shí)芯片內(nèi)部鎖定，停止工作(基準(zhǔn)源及必要電路除外)，使消耗電流降至小于2mA。7)有軟啟動(dòng)電路。比較器的反相輸入端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動(dòng)電容。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓Uref由恒流源供電，達(dá)到25V的時(shí)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(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)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(zhǔn)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(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)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(jìn)行比較，

16、輸出一個(gè)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(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)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(gè)輸出互補(bǔ)，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(shí)間，保證VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的DCDC直流變換器原理圖。性能指標(biāo)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(dǎo)通與關(guān)閉，MOSFET驅(qū)動(dòng)采用推挽方式，本設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shè)計(jì)采用推挽式功率變換電路，在輸入回路中僅有一個(gè)開關(guān)的通態(tài)壓降，而半橋和全橋電路有2個(gè)，因此在同樣的條件下，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，這種拓?fù)涮貏e適合輸入電壓較低的場(chǎng)合，這也是本設(shè)計(jì)為什么采用推挽變換器的原因。其中的變壓器可同時(shí)實(shí)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