光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真畢業(yè)設(shè)計論文

1、本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（設(shè)計論文）題 目：光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真摘要伴隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的不斷加劇，清潔能源的發(fā)展進(jìn)程被大大的推進(jìn)了。太陽能作為一種新能源以其沒有污染，安全又可靠，能量隨處可以得到等優(yōu)點越來越受到人們的青睞。無論從近期還是遠(yuǎn)期，無論從能源環(huán)境的角度還是從邊遠(yuǎn)地區(qū)和特殊應(yīng)用領(lǐng)域需求的角度考慮，太陽能發(fā)電都極具有吸引力。那么對光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究則就變得既有價值又有意義。通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論研究學(xué)習(xí)，建立了完整的光伏發(fā)電系統(tǒng)體系，本文深入的研究了光伏電池在不同光照強(qiáng)度、不同溫度下的電壓、功率輸出特性。本文的研究重點是光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)，以及在MAT

2、LAB/SIMULINK仿真環(huán)境下的仿真結(jié)果。討論了多種最大功率點跟蹤方法；且分別討論學(xué)習(xí)了在光伏并網(wǎng)和獨立發(fā)電系統(tǒng)情況下的逆變器和MPPT的控制，并建立了仿真模型，提出了相應(yīng)的控制策略。且在最后論述了孤島效應(yīng)的產(chǎn)生和反孤島策略，用電壓頻率檢測法完成了孤島檢測與保護(hù)。關(guān)鍵詞：光伏電池，逆變器，最大功率點跟蹤，孤島效應(yīng)， MATLAB仿真AbstractWith the growing energy crisis and environmental problems, clean energy is greatly promote the development process. Solar e

3、nergy as a new kind of energy for its no pollution, safe and reliable, widely available energy advantages, such as more and more get the favor of people. No matter from the near future or long-dated and, no matter from the Angle of energy and environment, or from remote areas and special application

4、s demand point of view, solar power generation is extremely attractive. So the study of photovoltaic power generation system has become both a rewarding and meaningful. Through the study of theoretical research of photovoltaic power generation system, established a complete system of photovoltaic po

5、wer generation system, this paper in-depth study the photovoltaic cells under different illumination intensity, temperature, voltage, power output characteristics. In this paper, the research emphasis is the control technology of photovoltaic power generation system, and the simulation results in MA

6、TLAB/SIMULINK environment. Discussed a variety of maximum power point tracking methods; And, respectively, to discuss the study under the condition of independent power generation and photovoltaic (pv) grid system of the inverter with MPPT control, and established the simulation model, put forward t

7、he corresponding control strategy. And islanding is discussed at the end of the production and the reverse island strategy, using frequency voltage tests completed island detection and protection. Keywords: photovoltaic batteries, inverter, maximum power point tracking, islanding, the MATLAB simulat

8、ion目錄摘要IAbstractI第一章 緒 論11.1新能源發(fā)電的背景和意義11.2光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景1太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀1光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景11.3本文設(shè)計內(nèi)容1第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述12.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理12.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成12.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類1太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)12.3.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)1互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)1第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真13.1光伏電池陣列的建模13.1.1 光伏電池陣列的數(shù)學(xué)模型13.1.2 光強(qiáng)和溫度對光伏電池輸出結(jié)果的影響1太陽光光照強(qiáng)度模型13.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型1離網(wǎng)型光伏發(fā)電

9、系統(tǒng)的主電路的模型1第四章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)14.1光伏發(fā)電MPPT技術(shù)14.2電導(dǎo)增量法1電導(dǎo)增量法的原理14.2.2電導(dǎo)增量法改進(jìn)14.3 最大功率控制技術(shù)仿真14.4光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制1并網(wǎng)逆變器控制14.4.2 電流環(huán)的分析建模1鎖相環(huán)的原理分析14.5離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制14.5.1 光伏充電控制分析1獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器控制技術(shù)1第五章 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的孤島效應(yīng)15.1孤島效應(yīng)的分析和危害15.2 孤島效應(yīng)的檢測1孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)1孤島檢測方法1結(jié)論1展望1參考文獻(xiàn)1致謝1第一章 緒 論1.1新能源發(fā)電的背景和意義能源一直是人類社會生存和發(fā)展的動力和源泉。伴隨著社會的不

10、斷發(fā)展和進(jìn)步，化石能源的儲量也在日趨枯竭。在國內(nèi)，據(jù)官方統(tǒng)計，僅去年一年，中國的原油進(jìn)口達(dá)1.5億噸1。按目前的消耗速度，中國的現(xiàn)有能源儲量至多可使用50年?？上驳氖?，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類發(fā)現(xiàn)了核能、地?zé)崮?、潮汐能、風(fēng)能、太陽能等多種新型能源。在化石能源的局限性和環(huán)境保護(hù)的壓力下，世界上大部分國家加強(qiáng)了對這些綠色新型能源和可再生能源的發(fā)展支持。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界各國對能源的需求越來越大。在德國、丹麥等國家可再生能源發(fā)電的裝機(jī)已經(jīng)達(dá)到較高的水平。為促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，各國不僅繼續(xù)加大對可再生能源技術(shù)研發(fā)的投入，同時從立法和政策方面也都采取措施支持可再生能源的開發(fā)和利用，加快其

11、發(fā)展步伐，使之成為實現(xiàn)能源多樣化、應(yīng)對氣候變化和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要替代能源。我國高度重視可再生能源事業(yè)的發(fā)展，近年來更加大了對可再生能源發(fā)展的支持力度，包括國家科技資金投入、政府性工程及優(yōu)惠政策制定等。尤其是中華人民共和國可再生能源法的頒布，有力地推動了我國可再生能源發(fā)展的進(jìn)程，進(jìn)一步保障了我國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)概念和建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會目標(biāo)的實現(xiàn)。從能源供應(yīng)等諸多因素考慮，太陽能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展的理想的綠色能源，同時太陽能也即將成為21世紀(jì)最重要的能源之一。太陽能是從太陽向宇宙空間發(fā)射的電池輻射能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量，到達(dá)地球表面的太陽能為8.2*109萬kW

12、2,能量密度為1kW/m2左右。太陽能發(fā)電有熱發(fā)電和光發(fā)電兩種方式。太陽能以其分布廣泛,取之不盡,用之不竭,又安全潔凈等優(yōu)點,正逐漸成為人類理想的新一代可再生能源。是人類最終可以依賴的能源。1.2光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的一種重要形式，是直接將太陽的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，多種發(fā)電方式中，光伏發(fā)電是主流。光伏發(fā)電是將照射到太陽能電池上的光直接變換成電能輸出。太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀1839年法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光生伏打效應(yīng)(光電效應(yīng)的一種)。19世紀(jì)70年代赫茲根據(jù)光伏效應(yīng)利用固體硒材料制成了光伏電池。1973年全球石油危機(jī)爆發(fā)，導(dǎo)致能源價格大幅度上升，這引起了人們對光伏發(fā)電

13、技術(shù)的濃厚興趣13。之后，光伏發(fā)電技術(shù)開始逐漸被關(guān)注，各國政府和工業(yè)界的研究機(jī)構(gòu)投入了大量的人力、物力加強(qiáng)光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究和開發(fā)。太陽能光伏發(fā)電自20世紀(jì)80年代起發(fā)展迅速，每年以30%到40%的速度迅猛增長2。為了鼓勵太陽能技術(shù)的開發(fā)和利用，各國政府積極制定各種優(yōu)惠政策來推動太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展3。 1996年，在美國能源部的支持下，美國政府開始了一項“光伏建筑物計劃”，投資20億美元，1997年美國政府在全世界率先宣布發(fā)起“百萬太陽能屋頂計劃氣。2002年，美國的光伏電池生產(chǎn)總量達(dá)到112.9MW，計劃到2010年要求發(fā)電成本降到7.7美分/千瓦時。年可減排COZ 351.1萬噸，總

14、計可增加就業(yè)7.15萬人。該計劃現(xiàn)已由加州施實。日本政府早在1974年就公布了“陽光計劃”，1993年又提出“新陽光計劃”，旨在推動太陽能研究計劃全面、長期地發(fā)展。日本相繼頒布了一系列鼓勵包括太陽能在內(nèi)的可再生綠色能源研究與應(yīng)用地法規(guī)，極大地推動了日本光伏工業(yè)地發(fā)展與應(yīng)用。2002年，日本的光伏電池生產(chǎn)總量已達(dá)到254.SMW，并且以世界最快的增長速度一48.6%增長，計劃到2010年一半以上的新居屋頂將安裝光伏太陽能系統(tǒng)。德國政府是世界上最早和最積極倡導(dǎo)鼓勵光伏應(yīng)用的國家之一。1990年，德國政府率先推出“1000太陽能屋頂計劃”，1993年，德國首先開始實施由政府投資支持，被電力公司承認(rèn)的

15、1000屋頂計劃，繼而擴(kuò)展為2001)屋頂計劃，1998年德國政府進(jìn)一步提出了10萬光伏屋頂計劃，同時研究開發(fā)與建筑相結(jié)合的專用光伏組件等。1999年1月起開始實施“十萬太陽能屋頂計劃”。德國政府頒布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。 此外，意大利、印度、瑞士、法國、荷蘭、西班牙都有類似的計劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。從世界范圍來講，光伏發(fā)電己經(jīng)完成了初期開發(fā)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，示范階段，現(xiàn)在正在向大批量生產(chǎn)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，從最早作為小功率電源發(fā)展到現(xiàn)在作為公共電力的并網(wǎng)發(fā)電，其應(yīng)用范圍也己遍及幾乎所有的用電領(lǐng)域。并且光伏集中發(fā)電、光伏建筑等發(fā)展迅速，已逐漸成為市場主力

16、。 我國是世界上主要的能源生產(chǎn)和消費大國之一，提高能源利用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源和可再生能源是實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展在能源方面的重要選擇。隨著我國能源需求的不斷增長，以及化石能源消耗帶來的環(huán)境污染的壓力不斷加劇，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到國家的重視和社會的關(guān)注。經(jīng)過十年的努力，我國的光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)也有很大的提高，光伏電池轉(zhuǎn)換效率也提高了。單晶硅電池實驗室效率達(dá)20%，批量生產(chǎn)率達(dá)14%，多晶硅實驗室效率達(dá)12%，與發(fā)達(dá)國家的效率在不斷減小。截至2007年10月，全國已建和在建的并網(wǎng)光伏發(fā)電工程共有30多個，總裝機(jī)容量達(dá)1 OMW左右。2007年8月，國務(wù)院發(fā)布的可再生能

17、源中長期發(fā)展規(guī)劃更對并網(wǎng)光伏發(fā)電建設(shè)提出了明確的發(fā)展目標(biāo)，到2010年，全國建成1000個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘繛?萬kW;到2020年，全國建成2萬個屋頂光伏發(fā)電項目，總?cè)萘窟_(dá)到100萬kW。到2010年，全國建成多處大型并網(wǎng)光伏電站，總?cè)萘繛?萬kW;到2020年，全國光伏電站總?cè)萘窟_(dá)到20萬kW4。得益于近年來各方面對太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視，目前我國已經(jīng)形成了完整的太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)了解，隨著國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用及快速發(fā)展，其上游的多晶硅大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟，尤其是從國內(nèi)及全球現(xiàn)有生產(chǎn)工藝水平看，已可實現(xiàn)整個多晶硅生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)內(nèi)部的封閉運(yùn)行，從而接近零

18、排放水平。但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國無論在生產(chǎn)規(guī)模上，還是在自動化水平上仍然有很大差距，面臨著嚴(yán)峻的考驗。光伏企業(yè)的發(fā)展靠市場，光伏市場的發(fā)展靠政策。光伏發(fā)電成本高，無法與常規(guī)能源競爭，所以更需要政府制定強(qiáng)有力的法規(guī)和政策支持以驅(qū)動我國光伏產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景 光伏發(fā)電有兩種發(fā)電方式：獨立發(fā)電,并網(wǎng)發(fā)電。由于太陽能發(fā)電成本較高,光伏發(fā)電多數(shù)被用于偏遠(yuǎn)的無電地區(qū)，而且以戶用及村莊用的中小系統(tǒng)居多，都屬于獨立型用戶。但是近幾年科技不斷發(fā)展，光伏發(fā)電的不斷改進(jìn)， 因此，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)及其市場發(fā)生了極大的變化，開始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)獨立發(fā)電逐步向城市并網(wǎng)發(fā)電、光伏建筑集成的方向快速邁進(jìn)。太陽能

19、己經(jīng)全球性地由“補(bǔ)充能源”的角色被認(rèn)可將是下一代“替代能源”3。(a)光伏并網(wǎng)和光伏應(yīng)用裝機(jī)容量對比圖 (b)光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量所占比例圖1.1 世界光伏應(yīng)用領(lǐng)域年安裝容量統(tǒng)計對比圖1.3本文設(shè)計內(nèi)容 本論文主要通過學(xué)習(xí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制功能，對光伏發(fā)電進(jìn)行全面了解。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光伏組件的研究，建立相應(yīng)合適的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab simulink軟件仿真在不同環(huán)境不同溫度下太陽能電池的輸出特性和輸出功率特性。其次，針對光伏發(fā)電的控制系統(tǒng)，研究不同的控制方式和控制策略，建立對系統(tǒng)影響較大的系統(tǒng)控制模型。第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理 光

20、伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。所謂光生伏特效應(yīng)1，就是指物體在吸收光能后，其內(nèi)不能傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動勢的效應(yīng)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制,因為陽光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期較短的優(yōu)點。光能轉(zhuǎn)換設(shè)備即光伏電池，是利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。目前光伏發(fā)電工程上廣泛實用的光電

21、轉(zhuǎn)換器件主要是硅光伏電池，包括單晶硅、多晶硅，和非晶硅電池，其中單晶硅光伏電池的生產(chǎn)工藝技術(shù)成熟，已進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)以晶體硅為例描述光發(fā)電過程。如圖2.1所示，P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成PN結(jié)。當(dāng)光線照射光伏電池表面的時候，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給硅原子，使電子發(fā)生躍遷，成為自由電子在PN結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該外部電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。圖2.1 光生伏特效應(yīng)原理2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由2太陽電池組件、蓄電池、控制器、逆變器、等幾部分構(gòu)成。光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維

22、護(hù)簡便。理論上講,光伏發(fā)電技術(shù)可以用于任何需要電源的場合,上至航天器,下至家用電源,大到兆瓦級電站,小到玩具,光伏電源其實無處不在。（1）太陽電池組件 太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽電池，有單晶硅、多晶硅、非晶硅等。由太陽能電池組件按系統(tǒng)要求串、并聯(lián)而成，它是太陽能光伏系統(tǒng)的核心部件。（2）蓄電池 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能設(shè)備。當(dāng)光照不足或晚上、或者負(fù)載需求大于太陽能電池組件所需發(fā)電量時，將儲存的電能釋放以滿足負(fù)載的能量需求。目前太陽能光伏系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池。（3）控制器 整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心控制部分。它對蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽能電池組件和蓄電池對

23、負(fù)載的電能輸出。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的控制部分、逆變器以及監(jiān)控系統(tǒng)集成的趨勢。（4）逆變器 逆變器有離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器，是將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的交流電。通過全橋電路，一般采用空間矢量脈寬調(diào)制（SPWM）處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與負(fù)載頻率、額定電壓等相匹配的正弦交流電供電系統(tǒng)終端用戶使用。2.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏發(fā)電系統(tǒng)通常分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)以及互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)。不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)特點和組成各不相同，應(yīng)用場合和環(huán)境也有所差異，下文著重介紹獨立光伏發(fā)電和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨立的光伏

24、發(fā)電系統(tǒng)是指在內(nèi)部封閉電路內(nèi)消耗光伏電力，不與電網(wǎng)連接，直接向負(fù)載供電。主要應(yīng)用于部隊通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信，鐵路公路信號系統(tǒng)，氣象、地震臺站等偏遠(yuǎn)地區(qū)。鑒于我國邊遠(yuǎn)山區(qū)多，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展市場。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件陣列、充放電控制器、逆變器、蓄電池組等組成。與并網(wǎng)不同的是，為保證負(fù)載供電的連續(xù)性，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配置儲能設(shè)備（蓄電池組）。其具體的工作原理是：白天在太陽光的照射下，光伏陣列將接收的太陽輻射能量（直流電流）通過控制器一部分傳送到逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，一部分經(jīng)過充放電控制器以后以化學(xué)能的形式存儲在蓄電池中。當(dāng)太陽光不足時，存儲在蓄電池中的能量經(jīng)過逆變器后變成方

25、波或SPWM波，然后再經(jīng)過濾波和工頻變壓器升壓后變成交流220V、50Hz的正弦電源供給交流負(fù)載使用。其運(yùn)行結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2直流負(fù)載蓄電池太陽能電池板DC/DC交流負(fù)載逆變器控制器 圖2.2獨立運(yùn)行太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)有其優(yōu)點也有不足。優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟(jì)、靈活、適用范圍廣泛；不足之處在于蓄電池的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光伏組件壽命，因此需要經(jīng)常更換，而且用電可靠性差，管理控制分散，一般用于用電量小，分散性大的用電負(fù)荷。2.3.2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽電池陣列中的半導(dǎo)體材料在接收到太陽光輻射時產(chǎn)生的“光伏效應(yīng)”，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。無需蓄電池儲

26、能，直接通過并網(wǎng)逆變器把電能送上電網(wǎng)運(yùn)行。由電網(wǎng)進(jìn)行管理控制，像一個發(fā)電廠連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電方式，是電網(wǎng)的補(bǔ)充。 其運(yùn)行模式是在太陽輻射的條件下，光伏組件陣列輸出地電能經(jīng)過直流匯流箱集中送入直流配電柜，經(jīng)過DC/AC并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)。并網(wǎng)系統(tǒng)中PV方陣所產(chǎn)生的電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力回饋給電網(wǎng)。在太陽光不足的時候，光伏組件產(chǎn)生的電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需求是就由電網(wǎng)供電。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。電網(wǎng)逆變器太陽能電池板DC/DC交流負(fù)載控制器圖2.3光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)

27、。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對于一些重要負(fù)荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。現(xiàn)在，世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式是光伏并網(wǎng)發(fā)電方式，與離網(wǎng)太陽能發(fā)電相比，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有其獨特之處。首先它利用清潔干凈

28、的能源，而且是可再生能源，使用中不排放無污染物和溫室氣體，有利于生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其次，所發(fā)的多余電能饋入電網(wǎng)，把電網(wǎng)當(dāng)作儲能裝置，省掉了蓄電池，比離網(wǎng)光伏發(fā)電在經(jīng)濟(jì)建設(shè)上減少了35%到45%的投資，大大降低了發(fā)電成本，更重要的是，省掉蓄電池之后，降低了系統(tǒng)平均故障時間，也杜絕了蓄電池的二次污染。再者，光伏電池組件可以與建筑物完美結(jié)合，既可以發(fā)電又能作為建筑材料和裝飾材料，是物質(zhì)資源充分利用，發(fā)揮了多種功能。分布式的建設(shè)，就地分散供電，進(jìn)入和退出電網(wǎng)靈活自如，既增強(qiáng)了電力系統(tǒng)抵御戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害的能力，又改善了電力系統(tǒng)的符合平衡。 不足之處就是只有在晴朗的白天才能比較穩(wěn)定提

29、供電力，一旦沒有了日照，就會導(dǎo)致發(fā)電量下降，干擾電網(wǎng)。 互補(bǔ)型光伏發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)/光互補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制器、逆變器、蓄電池組、耗能負(fù)載箱、支架等組成6。太陽能和風(fēng)能在時間和地域上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。白天太陽光強(qiáng)的時候，風(fēng)小，晚上太陽落山后，光照弱，但由于地表溫差大而風(fēng)加強(qiáng)。在季節(jié)上，風(fēng)光也有同樣的互補(bǔ)效果。而且，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。風(fēng)/ 光互補(bǔ)型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 其具體工作原理：風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后與太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流通過控制器一部分傳送到逆變器轉(zhuǎn)化成交流電，一部分對蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)力小陽光不足或夜間的時候，蓄電池通過直

30、流控制系統(tǒng)向逆變器送電，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用4。第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真3.1光伏電池陣列的建模3.1.1 光伏電池陣列的數(shù)學(xué)模型太陽能電池的基本特性可以用其電流和電壓的關(guān)系曲線來表示，電流、電壓之間的關(guān)系又是通過其他一系列參變量來表示的。特別是與太陽能電池表面的日照強(qiáng)度和電池溫度等有關(guān)。理想的光伏電池等效電路如圖3.1. 圖3.1 光伏電池等效電路由串并聯(lián)電阻、二極管、光生電流源組成。Iph是光生電流，當(dāng)光照恒定時，由于光生電流不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此可以等效為恒流源。在光伏電池的兩端接上負(fù)載后，負(fù)載端電壓反作用于P-N結(jié)上，產(chǎn)生與光生電流方向相反的電流I.串

31、聯(lián)等效電阻RS表示電池中電流受到的阻礙作用，其數(shù)值取決于P-N結(jié)深度、半導(dǎo)體材料的純度和接觸電阻。串聯(lián)電阻越大，線路損失越大，光伏電池輸出效率越低;旁路電阻Rsh與電池對地的泄漏電流成反比5。光伏陣列的輸出電壓、電流關(guān)系式如下： I=Iph-IDeqU+IRsAkT-1-U+IRsRsh (3-1)式中:A 為二極管的理想因子， 玻爾茲曼常數(shù)1.38*10-23J/K ,q=1.6*10-19C,為電子的電荷量; 為溫度,Rsh和RS 為并聯(lián)和串聯(lián)電阻。由于光生電流Iph與光伏電池的瞬間光照強(qiáng)度ETP成正比增加，并且當(dāng)取298K(25)為溫度零點時，Iph隨溫度的增高將產(chǎn)生+0.1%的變化3。

32、由此可得：Iph=5.46×10-3ETP1+0.001T-298 (3-2)假定ETP=100Mw/cm2,整個裝置的溫度比氣溫高出30。得出裝置溫度表達(dá)式：T=Ta+0.3ETP×1000 (3-3)由以上式建立方程組，可得出光伏陣列的理想輸出特性。根據(jù)光伏組件的等效電路建立simulink仿真模型，如圖3.2（1）為光伏組件的封裝模型圖， 圖3.2（1）光伏電池封裝模型圖上圖中T為電池溫度，R為光照強(qiáng)度，VPV， Iout分別為光伏陣列的輸出電壓和輸出電流。這是光伏組件的通用封裝模型，在模塊內(nèi)部輸入不同的參數(shù)即可模擬出不同條件下的I-V 和 P-V特性。如圖3.2（2

33、）為光伏組件輸出特性仿真模型圖。 圖3.2(2)太陽能光伏組件仿真模型利用MATLAB環(huán)境對光伏電池的模型進(jìn)行仿真，此時光強(qiáng)為100Mw/cm2,大氣溫度為25。如圖3.3，曲線1為光伏陣列輸出電壓-電流特性的仿真結(jié)果，曲線2 是光伏陣列的輸出功率-電壓特性仿真結(jié)果。 (1)(2)圖3.3 光伏陣列的輸出特性曲線3.1.2 光強(qiáng)和溫度對光伏電池輸出結(jié)果的影響（1）光照強(qiáng)度為1000W/m2時，溫度為25時，仿真得到的光伏電池單元的輸出特性如圖3.4圖3.4光伏電池未被遮擋時的輸出特性當(dāng)光伏電池被遮擋時，理論上，與光照強(qiáng)度直接相關(guān)聯(lián)的光生電流將明顯下降，從而光伏電池的短路電流也相應(yīng)下降。但其開路

34、電壓基本不變。輸出功率會下降。仿真驗證：光強(qiáng)為500W/m2,溫度為25圖3.4光伏電池單元未被遮擋和遮擋后的比較由圖可以看出，光照強(qiáng)度下降了一半，短路電流也相應(yīng)下降了一半，而開路電壓基本不變。由此可得出， 當(dāng)1個電池組件中的某個電池單元被遮擋，最直接的影響是該電池的輸出能力下降，表現(xiàn)為短路電流下降。（2）從數(shù)學(xué)模型中可以看出光伏電池的輸出特性也受到溫度的影響，為了驗證推理的正確性，在上圖的仿真環(huán)境下，設(shè)定在相同光照條件下，改變電池溫度，觀察輸出特性的變化，仿真結(jié)果如圖3.5所示。 圖3.5 相同光照下，不同溫度光伏電池的輸出特性太陽光光照強(qiáng)度模型光伏發(fā)電系統(tǒng)常年位于一個地方，光伏電池陣列所接

35、收到的光照強(qiáng)度受各種外界因素的影響，如地理條件，天氣變化地球緯度等。下文主要研究和模擬固定地方一天內(nèi)的光照強(qiáng)度的變化。一般來說，固定地方一天內(nèi)的光照強(qiáng)度可視為滿足一定分布規(guī)律的隨機(jī)變量。根據(jù)實際測驗結(jié)果分析，一天內(nèi)的光照強(qiáng)度變化曲線近似為正態(tài)分布曲線。 舉例來說，例如內(nèi)蒙地區(qū)的光照強(qiáng)度在早上6：00達(dá)到光伏發(fā)電系統(tǒng)工作的最低要求，而在下午13:00-14:00達(dá)到一天光照強(qiáng)度最強(qiáng)，在傍晚5:30又降到光伏發(fā)電系統(tǒng)工作的最低要求。對于一天內(nèi)的光照強(qiáng)度可以模擬為：早上六點以分段的線性增長，此時系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，到下午13點到14點達(dá)到最大值，之后以分段的線性遞減至5點半到最小值，此時整個系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

36、為了方便研究，對各段加以一定的函數(shù)，考慮干擾因素（陰影，云等），取方差0.001（標(biāo)幺值）。根據(jù)經(jīng)驗，最適合的分布類型應(yīng)為Beta分布，這是一種在（0,1）之間的連續(xù)分布函數(shù)，其概率密度分布為3 m,n=1Bm,nxm-11-xn-1 (3-4)其中m,n為正數(shù)，規(guī)則化因子B(m,n)是Euler的B函數(shù)，取值滿足下式 Bm,n01xm-11-xn-1dx=mnm,n (3-5)其中（.）為gamma的函數(shù)，m,n的取值因地制宜，考慮到仿真的時候m,n難確定，并且Beta分布序列生成較難，可采用加以改進(jìn)的正態(tài)分布代替Beta分布。確定了光照強(qiáng)度隨機(jī)變量的分布，均值和方差，即可仿真，得到光照強(qiáng)度

37、模型如圖：圖3.6 內(nèi)蒙古地區(qū)一天內(nèi)光照強(qiáng)度變化曲線 3.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型主電路中，除電力電子器件外，還包括電阻，電感，電容，變壓器等線性器件，這些器件的模型較簡單，主電路的數(shù)學(xué)模型一半不需要用戶建立，用戶更多的是建立自己可視性的主電路圖即可。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型圖3.7為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖19，整體結(jié)構(gòu)由前級升壓變換器，后級全橋變換器，負(fù)載RLC,前后級控制器組成。光伏電池陣列輸出的電能，經(jīng)升壓變換器升壓并汲取最大功率后，利用全橋逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能饋入電網(wǎng)；另外，加上RLC負(fù)載，模擬電力系統(tǒng)上的用戶端等效負(fù)載，作為檢測孤島效應(yīng)。圖3.7 光伏并網(wǎng)發(fā)電系

38、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖了解并掌握了主電路元器件模型后，即可搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型，以并網(wǎng)單相光伏發(fā)電系統(tǒng)為例。如圖3.8是單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的主電路模型圖。圖3.8單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器主電路模型在simulink中完成原理圖搭建，并對所有的器件的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定，則完成了該光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型的建立。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路的模型離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖如下3.9：圖3.9 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)采用恒壓跟蹤C(jī)VT方式實現(xiàn)對太陽能電池的最大功率跟蹤，可有效提高光伏電池的工作效率，同時也改善了整個系統(tǒng)的工作性能。由圖可知，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為BUCK型變換器，利用脈沖

39、寬度調(diào)節(jié)來控制主電路IGBT的占空比，以改變對蓄電池的充電電流，由此實現(xiàn)對太陽能電池的恒壓跟蹤，使太陽能電池的輸出功率接近最大功率。CVT跟蹤方式的具體內(nèi)容在下文中會詳細(xì)介紹。第四章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)4.1光伏發(fā)電MPPT技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受環(huán)境和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點上。因此，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)尋求光伏電池的最優(yōu)狀態(tài)，以最大限度地將光能轉(zhuǎn)換為電能。利用控制方法實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率點跟蹤技術(shù)。一般正常情況下，隨溫度和輻照度變化的光伏電池U-I和P

40、-I特性曲線分別如圖4.1、4.2所示13。圖4.1 相同輻照度而溫度不同條件下的光伏電池特性圖4.2 相同溫度而不同輻照度條件下光伏電池特性顯然，光伏電池運(yùn)行受外界環(huán)境溫度、輻照度等因素的影響，呈非線性特征，因此數(shù)學(xué)模型很難精確的表示光伏電池特性。理論上，當(dāng)光伏電池的輸出阻抗和負(fù)載阻抗相等時，光伏電池輸出功率最大。也就是說，如能通過控制實現(xiàn)對負(fù)載阻抗的實時調(diào)節(jié)，使其跟蹤光伏電池的輸出阻抗，就可以實現(xiàn)光伏電池的MPPT控制。傳統(tǒng)的MPPT方法依據(jù)判斷方法和準(zhǔn)則的不同被分為開環(huán)和閉環(huán)兩種1。開環(huán)MPPT方法主要基于一些比如光伏電池的最大功率點電壓Umpp與光伏電池的開路電壓Uoc之間的近似線性關(guān)

41、系等基本的規(guī)律。此方法簡便易行，卻對光伏電池的輸出有較強(qiáng)的依賴性，且效率較低。閉環(huán)MPPT是通過對光伏電池輸出電壓和電流值的實時測量與閉環(huán)控制來實現(xiàn)，采用最廣泛的自尋優(yōu)算法，典型的自尋優(yōu)算法有擾動觀測法和電導(dǎo)增量法，接下來本文主要介紹一下電導(dǎo)增量法11。4.2電導(dǎo)增量法由圖4.2可看出，正常光照條件下光伏電池的輸出P-U特性曲線是一個以最大功率點為極值的單峰值函數(shù)，因此，在最大功率點處有 dP dU=0 (4-1) 因此最大功率點跟蹤實質(zhì)上就是搜索滿足dP / dU =0的工作點，由P/U代替dP/ dU。電導(dǎo)增量法的原理電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的規(guī)律出發(fā)的，進(jìn)而

42、推出了系統(tǒng)工作點位于最大功率點時的電導(dǎo)和電導(dǎo)變化率之間的關(guān)系，后提出相應(yīng)的MPPT方法。如圖4.3所示，是光伏電池P-U特性曲線及dP/ dU變化特征，即在光強(qiáng)一定的情況下僅存在一個最大功率點，且在最大功率點兩邊dP/ dU符號相反，而在最大功率點處dP/ dU =0。 dP / dU =0 dP/ dU>0 dP/ dU<0 0.5 輸出功 率標(biāo)幺值 0端電壓標(biāo)幺值 0.9圖4.3 光伏電池P-U特性的dP / dU變化特征考慮光伏電池的瞬時輸出功率為 P=UI (4-2)將（2）式兩邊對光伏電池的輸出電壓U求導(dǎo)，則 dPdU=I+UdIdU (4-3)當(dāng)dP / dU =0時，

43、光伏電池的輸出功率達(dá)到最大。則可以推導(dǎo)出工作點位于最大功率點時需滿足 dIdU=-IU (4-4)由以上推到可得出，使用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點跟蹤時判據(jù)如下： IU>-IU 最大功率點左邊 IU=-IU 最大功率點 (4-5) IU<-IU 最大功率點右邊圖4.4為定步長電導(dǎo)增量法流程圖，其中U為每次系統(tǒng)調(diào)整工作點時固定的電壓該變量（步長），Uref為下一點電壓。通過計算出U之后，對其是否為零進(jìn)行判斷。其中左分支與上述分析相符合，右分支主要是為抑制當(dāng)外部輻射度發(fā)生突變時的誤判而設(shè)置的。輸入U(k)I(k)I=I(k)-I(k-1)U=U(k)-U(k-1)U=0?YI=0?I/U

44、=-I/U NYY NNI>0?I/U>-I/UYYNNNUref= Uref+U*Uref= Uref+U*Uref= Uref-U*Uref= Uref-U*I(k-1)=I(k)U(k-1)=U(k)返回 圖4.4 電導(dǎo)增量法流程圖電導(dǎo)增量法的優(yōu)點是MPPT的控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，與光伏電池的特性及參數(shù)無關(guān)。缺點就在于其步長固定，追蹤時間難以控制。電導(dǎo)增量法改進(jìn)基于上文提到的電導(dǎo)增量法的缺點，為了提高電導(dǎo)增量法進(jìn)行大功率跟蹤時的快速性和準(zhǔn)確性，我們采用變步長改進(jìn)電導(dǎo)增量法。下面簡單介紹兩種變步長的電導(dǎo)增量法。其一是基于光伏電池P-U特性曲

45、線的變步長電導(dǎo)增量法。在離最大功率點較遠(yuǎn)的時候，步長可以適當(dāng)增大，這樣可以提高M(jìn)PPT的追蹤速度；而到了最大功率附近區(qū)域時，跟蹤的步長可以適當(dāng)?shù)臏p小，這樣可以提高M(jìn)PPT的準(zhǔn)確度1。其二是基于光伏電池U-I特性曲線的變步長電導(dǎo)增量法的基本思路。由光伏電池U-I曲線可得出，類似恒流源和恒源的區(qū)域范圍的比例較大，采用電導(dǎo)增量法時，在恒流源的區(qū)域里可加大步長，在恒壓源的區(qū)域里適當(dāng)?shù)臏p小步長，最后利用電導(dǎo)增量法判據(jù)判斷是否已經(jīng)到達(dá)最大功率點處，若滿足判據(jù)，則停止擾動。需要設(shè)MPPT的步長step=A×dPdV, 使得步長隨輸出電壓與最大功率點處電壓距離的大小而變化。改進(jìn)后的變步長的程序流程圖

46、如圖4.5所示。開始返回d=d0+stepd=d0-stepd=d0dIdV>-I/VdIdV=-I/Vstep=A×dPdV輸入值U1, U2, I1 ,I2 計算stepNYNYN圖4.5 改進(jìn)后的梯度變步長流程圖4.3 最大功率控制技術(shù)仿真最大功率控制技術(shù)模型包括光伏陣列模型、MPPT模型、PWM脈寬調(diào)制模型、DC-DC變換器模型，光伏陣列模型在上章中已經(jīng)學(xué)習(xí)過，接下來我們介紹下其它幾種模型。MPPT模型中我們主要介紹電導(dǎo)增量法的仿真模型，如圖4.6圖4.6電導(dǎo)增量法的仿真模型PWM脈寬調(diào)制模型是基于MPPT模塊的輸出信號作為后級DC-DC電路開關(guān)器件的驅(qū)動信號，&quo

47、t;Repeating Sequence"輸出的三角波作為載波，與MPPT模塊的輸出信號作比較后，作為"Switch"的輸入信號，"Switch"的輸出PWM信號驅(qū)動DC-DC電路。其中，三角載波的頻率決定PWM頻率。如圖4.7圖4.7 PWM脈寬調(diào)制仿真模塊DC-DC變換器模型是通過調(diào)整DC-DC中功率開關(guān)管控制信號的占空比，來獲取光伏系統(tǒng)工作輸出的最大功率點，進(jìn)而實現(xiàn)MPPT控制。Boost電路是升壓變換器，使得光伏陣列的配置比較靈活，再通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢允?Boost電路的輸入電壓波動較小，提高系統(tǒng)最大功率點跟蹤的精度;還有就是Boo

48、st電路在結(jié)構(gòu)上與網(wǎng)側(cè)逆變器下橋臂的功率管共同接地，驅(qū)動也相對比較簡單。Boost變換器結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。 圖4.8 Boost變換器結(jié)構(gòu)圖其仿真模型如圖4.9 圖4.9 Boost仿真模型圖根據(jù)以上子模塊的仿真模型，建立光伏電池的最大功率控制仿真模型，如圖4.10圖4.10 MPPT控制仿真模型圖在上圖整個仿真模型中包含了PV模塊、MPPT模塊、PWM模塊和DC/DC變換器模塊。PV模塊的輸入是環(huán)境溫度T和光照R，輸出接口接的Boost變換器。而MPPT模塊是在不停的檢測光伏陣列的電壓V和電流I，通過MPPT計算方法計算出輸出給定電壓值Vref 。 PWM模塊的作用就是將給定電壓值Vref

49、和三角波信號進(jìn)行比較，輸出控制開關(guān)管的PWM信號波，改變光伏陣列工作電壓，從而使光伏陣列工作在最大功率點附近。當(dāng)輻照強(qiáng)度為1KW/m2,環(huán)境溫度為25時，系統(tǒng)最大功率仿真結(jié)果如下4.11所示：（1） 光伏陣列輸出電壓和電流的波形（1）光伏陣列的輸出電壓 （2）光伏陣列的輸出電流（3）Boost變換器輸出電壓 （4）系統(tǒng)輸入，輸出功率比較圖4.11 最大功率跟蹤仿真結(jié)果圖 為使得仿真結(jié)果便于分析，仿真中光伏電池的參數(shù)設(shè)置如下:短路電流8. 58A，開路電壓22V，峰值電流7. 94A，峰值電壓17. 7V，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為140W。仿真圖中系統(tǒng)輸入功率和輸出功率分別表示光伏陣列的輸出功率和負(fù)載上的

50、功率。由圖中可以看出系統(tǒng)大約在0. 04s時達(dá)到最大功率穩(wěn)定點;圖中的光伏電池輸出電壓(17. 19V)、電流(7. 87A)，且均在廠家給出參數(shù)的波動范圍內(nèi);Boost變換器輸出電壓約40. 75V，與17. 19V相比，升壓后大約放大2. 4倍。4.4光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要與電網(wǎng)相連，控制其逆變電路輸出穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波交流電，是控制的最終目的?？刂品矫姹容^復(fù)雜，如最大功率點跟蹤控制，逆變器并聯(lián)控制，孤島效應(yīng)等。本節(jié)內(nèi)容將一一介紹。并網(wǎng)逆變器控制并網(wǎng)逆變器是光伏系統(tǒng)中能量和轉(zhuǎn)換的核心部分。以單相的工頻光伏并網(wǎng)逆變器為例，如圖4.12所示。圖4.12 單相并網(wǎng)逆變器其

51、中R為等效電阻，L為濾波電感，UPV為光伏電池輸出的直流電壓，其等效電路如圖4.13，U1是逆變器輸出的高頻SPWM 波，經(jīng)過濾波后，饋入電網(wǎng)，U2為電網(wǎng)電壓。圖4.13等效電路模型首先建立逆變器的數(shù)學(xué)模型，借此研究和分析其控制系統(tǒng)。由等效電路模型可得出： U1=LdIdt+ir+U2 (4-6)則由上面的方程式可得出輸出側(cè)電壓的矢量圖，如圖所示4.14圖4.14輸出側(cè)電壓矢量圖上式方程式經(jīng)過拉普拉斯變換，得到 IS=1sL+rU1S-U2(S) (4-7) 即可得出控制傳遞函數(shù) G1(s)=1sL+r (4-8)忽略死區(qū)時間、功率器件等非線性因素的影響時，逆變橋路和SPWM脈寬調(diào)制器可視為一

52、階慣性環(huán)節(jié)，即 G2(s)=KTs+1 (4-9)其中K是逆變器增益，T為逆變器開關(guān)周期。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，Ts+11,上式可簡化為 G2(s)=K (4-10) 由上可得出開環(huán)傳遞函數(shù)為 GS=G1S×G2S=KsL+r=krLRS+1 (4-11) 通常并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制模式有電壓控制模式和電流控制模式，電壓控制模式中，逆變器的阻抗較低，且并網(wǎng)電流完全取決于電網(wǎng)電壓，屬于間接控制。而在電流控制模式中，受控量是輸出電流，而且輸出地電流質(zhì)量受到電網(wǎng)電壓的影響較少，因此在實際應(yīng)用中，電流控制模式受到了大家的青睞。 在較多的電流控制策略中，PI控制算法簡單，開關(guān)頻率固定，可靠性高，是

53、目前最常采用的方法之一。在中小功率單相并網(wǎng)逆變器中，常采用較為簡單的雙環(huán)控制策略。一方面要控制并網(wǎng)的電流大小要跟隨基準(zhǔn)電流給定，一方面要跟蹤試點相位。如圖所示控制框圖4.15。圖4.15基于PI調(diào)節(jié)器的單相逆變器的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖并網(wǎng)電流的幅值基準(zhǔn)Imppt乘以由鎖相環(huán)控制得到得電網(wǎng)Uac相位校準(zhǔn)信號后，作為并網(wǎng)電流基準(zhǔn)給定Iref，再通過電流環(huán)控制，使得并網(wǎng)電流跟隨Iref，最后生成SPMW驅(qū)動開關(guān)管。4.4.2 電流環(huán)的分析建模電流環(huán)的控制目的就是實現(xiàn)并網(wǎng)電流的大小跟隨基準(zhǔn)給定。在控制過程當(dāng)中，將實際并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電流基準(zhǔn)給定做比較得到差值，再通過PI調(diào)節(jié)器處理后得到調(diào)制波，再經(jīng)過三角載波調(diào)制，輸出SPWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大，驅(qū)動功率開關(guān)管工作，產(chǎn)生與電網(wǎng)同頻同相的正弦波電流11。采用電流PI閉環(huán)調(diào)節(jié)器來降低其穩(wěn)態(tài)誤差及增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。由上式4.6到4.