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基于simulink的带有MPPT功的光伏电池的仿真


本科毕业设计(论文)

基于 Simulink 的带有 MPPT 功能的光伏电池 的仿真

学 专

院 业

电力学院 电气工程及其自动化 郭子暄 20083015192 荆朝霞 2012 年 5 月 20 日

学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期





如今,在全球经济与科技高速发展的背景下,能源消耗自然成为不可忽略的问题。 在传统化石燃料,如煤、石油、天然气等面临枯竭之时,新能源的开发与利用成为当今 的热点。 在众多新能源中, 光能由其高效、 可持续以及无污染等特点进入了人们的视野。 光伏电池也应运而生。 本文首先通过对光伏电池单二极管等效电路的分析,以 PV-MF165EB3 光伏单元为 例,基于高斯-赛德尔法提出了光伏电池等效电路中未知参数的求取方法,并利用 Matlab/Simulink 建立相关数学模型以仿真其输出特性。经验证,该模型能够较为精确地 仿真 PV-MF165EB3 单元的 I-V 以及 P-V 特性。 应用于光伏系统的最大功功率跟踪控制系统(MPPT)是为了使得光伏电池在不同 的温度、 光照强度以及电力负荷情况下实现功率的最大化。 在本文当中, I-V 以及 P-V 在 特性基础之上, 通过对其非线性特性的分析提供了最大功率跟踪控制算法—电导增值法, 在本文中详细讲述了电导增量法的计算原理以及相关计算流程。 为使输出端功率最大化,应用 Boost 升压电路跟踪最大功率点处电压,并经过逆变 器完成其逆变,并分析逆变的效果。

关键词:光伏系统;最大功率跟踪;电导增量法

I

Abstract
Recently, with the rapid developing of economic and technology, the energy problem has grown into a great issue which cannot be ignored. Nowadays under the background that conventional fossil fuels are running out quickly, the exploitation of new resources became an outstanding research focus. Among new resources, solar power which has the characteristics of high efficiency, sustainability, non-pollution comes into people’s sight. Naturally, PV panel comes into being. In this paper, firstly we made an analysis for the single-diode equivalent circuit for PV system. Taking the PV-MF165EB3 module as an example, we come up with the method for obtaining the unknown parameters based on GAUSS–SEIDEL METHOD. After that with the applying of Matlab/Simulink, we can obtain the output characteristics of PV system. Through validating, the model can simulate the P-V and I-V characteristics of PV-MF165EB3 module accurately. A maximum power point tracking control (MPPT) is used for a photovoltaic (PV) system in order to maximize the output power irrespective of the temperature and irradiation conditions and of the load electrical characteristics. In this paper, on the basis of the P-V and I-V characteristics, through the research of the non-linear character, the Increase Conduct Algorithm is recommended to track the maximum power point. And here we will explain the flowchart of this method in detail. In order to maximize the output power, a boost converter is applied to obtain the voltage at MPP, through an inverter , the PV system is connected with the micro power grid to supply electric power .Based on the theory of inversion , we will build a model to analyze the output lead by SVPWM control method.

Keyword:
Algorithm

Photovoltaics, Maximum Power Point Tracking (MPPT), Increase Conduct

II

目录
摘要 .................................................................... Ⅰ Abstract ................................................................ Ⅱ 第一章 绪论 .............................................................. 1

1.1 分布式发电的研究背景与发展意义 .............................................................................................. 1 1.2 光伏发电系统概述 .......................................................................................................................... 1 1.3 国内外光伏系统的发展现状 .......................................................................................................... 3 1.3.1 国内光伏系统的发展现状 ................................................................................................... 3 1.3.2 国外光伏系统的发展现状 ................................................................................................... 3 1.4 本文的研究的内容 .......................................................................................................................... 6

第二章

风光互补微电网简介 ............................... 错误!未定义书签。

2.1 微电网概述 ..................................................................................................................................... 4 2.2 风能光伏混合微网 ....................................................................................................................... 4 2.2.1 风能光伏混合微电网结构 ................................................................................................. 4 2.2.2 混合微网的有功无功输出控制 ....................................................................................... 5

第三章 光伏系统的数学模型 ................................................. 7
3.1 光伏系统的等效电路 ...................................................................................................................... 7 3.2 光伏系统参数的求取 ...................................................................................................................... 8 3.2.1 光伏系统的参数方程 ......................................................................................................... 8 3.2.2 高斯—赛德尔法 ................................................................................................................. 10 3.2.3 高斯—赛德尔法的初始化 ............................................................................................... 11 3.3 温度与光照对仿真参数的影响 .................................................................................................... 12 3.4 光伏模型仿真 .............................................................................................................................. 13 3.4.1 示例模型的提出 ................................................................................................................. 13 3.4.2 光伏模型的串并联 ............................................................................................................. 13 3.4.3 实例的提出 ......................................................................................................................... 14 3.4.4 仿真结果 ............................................................................................................................. 15

第四章

光伏电池的最大功率控制 ........................................... 18

4.1 电导增量法概述 ............................................................................................................................ 18 4.2 定步长电导增量法 ...................................................................................................................... 18 4.3 变步长电导增量算法 .................................................................................................................. 21 4.3.1 变步长电导增量法的优点 ................................................................................................. 21 4.3.2 变步长电导增量法算法 ................................................................................................... 22 4.4 最大功率控制电路 ..................................................................................................................... 24 4.4.1 MPPT 控制电路原理 .......................................................................................................... 24 4.4.2 仿真结果 ........................................................................................................................... 25

第五章
5.1

光伏系统的逆变 ................................................... 28

SVPWM 控制技术 .......................................................................................................................... 28 5.1.1 SVPWM 概述 ........................................................................................................................ 28 5.1.2 SVPWM 控制基本原理 ...................................................................................................... 28 5.1.3 基于 Simulink 的 SVPWM 仿真 ....................................................................................... 31 5.2 光伏电池逆变的仿真 ................................................................................................................. 35

第六章

结论 ............................................................. 37

6.1 本文总结 ....................................................................................................................................... 34 6.2 后续工作 ..................................................................................................................................... 34

参考文献 ................................................................ 35 致谢 .................................................................... 36

2

第一章 绪论

第一章

绪论

1.1 分布式发电的研究背景与发展意义
自 20 世纪初以来,电力行业普便把以“大机组,大型集中式电厂和高压电网”为 主要特征的集中式单一供电系统作为现代电力工业的发展方向。经过 100 多年的发展, 这种集中式的单一供电系统已经具有相当大的规模, 为世界经济的繁荣和人民生活水平 的提高做出了巨大的贡献。 从 20 世纪 80 年代末开始, 世界电力工业出现了由传统的集中供电模式向集中式电 网和分布式供电模式结合过渡的趋势。 近年来, 以可再生能源利用为主的新型发电技术, 主要是太阳能光伏发电和风力发电,还包括燃料电池发电等,凭借发电方式灵活,与环 境兼容等优点得到了快速发展[1]。 分布式发电对电力系统和用户来说是多用途的。首先,对于电力系统的运行,分布 式发电可起到电压自动调节、电压稳定、系统稳定、电气设备的热起动和旋转动能贮备 等作用。其次,对于供能方面,其可以作为备用发电容量、削峰容量,也可承担系统的 基本负荷,还可实现热电联产同时为用户提供电能和热能。除此之外,分布式发电的应 用对减少环境污染也起着重要的作用, 如光伏发电的利用显著地轻了燃煤电厂产生的污 染。由此可见分布式发电是相比于集中式来讲十分清洁的发电方式,安装地点也相对灵 活,可置于居民及商业中心处[2]。 当今,传统化石燃料能源的紧缺成为了推动分布式能源发展的重要因素,由于经济 的发展,人均用电量的不断增长,在负荷处于峰值时,例如在酷暑时节,较多的地区会 受到短时停电的威胁。为保证不间断供电,当今很多大型企业及商业中心采取分布式发 电技术以保证生产与经济的稳定性。而且在市场经济的推动之下,电力结构也作出相应 调整,激励人们考虑新的发电技术。由此不难想象,分布式发电技术必将成为今后重要 发展趋势。

1.2 光伏发电系统概述
太阳能是当今利用效率最高,价格低廉,无环境污染的新能源。目前太阳能的使用 主要体现在两个方面—太阳能供热制冷以及太阳能发电。对于后者,可以通过光伏阵列 (PV array)的应用将太阳能转化为电能。近些年来,光伏系统已经在电力系统中得到 广泛认可和使用。在光伏阵列的基础之上,各种相关技术也得以发展,例如太阳能驱动 汽车、光能充电系统、卫星电力系统等等。 光伏发电系统可直接将太阳能转换为电能,不需要热力发动机驱动。光伏发电装置
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由固态电子器件组成,设计简单,坚固耐用,基本上不需要维护。光伏系统重量较轻、 不需要燃料提供能量,故光伏系统适合于其他分布式发电技术不能实现的环境。除此以 外,光伏系统并入电网之后既可以独立运行即孤岛运行,也可并网运行,其出力可达微 瓦级到兆瓦级,可建立兆瓦级大型发电厂[16]。工作中的光伏阵列如图 1-1 所示。

图 1-1

工作中光伏阵列

然而,光伏系统也存在其固有的缺陷,这主要是由其较高的建设费用以及相对较低 的能量转换效率所导致的。以上两问题主要由于它们非线性的,由光照辐射强度和环境 温度所决定的功率-电压、电流-电压曲线所引起。为解决以上这些问题,相关技术已得 到一定程度的开发: 1)改进光伏阵列的制造工艺; 2)控制输入光伏阵列的光照强度—使用光能收集器实现输入的最大化; 3)应用光伏阵列并追踪最大电能。 光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、 运行温度以 及负荷运行特性。正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。为解决这 一问题,通过使用上述方法 3) ,光伏系统在对应环境下的最大功率工作点,可以通过在 线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处。 光伏阵列的理想工作点 称为最大功率工作点(Maximum Power Point, MPP) ,其随着温度和光照辐射强度的变 化而变化。为得到光伏阵列的最大工作点,最大功率跟踪法得以应用。现在比较流行的 最大功率跟踪控制算法主要有查表法,扰动观察法,电导增值法,动态法[8]。本文将重 点讲述电导增值法。
2

第一章 绪论

1.3 国内外光伏系统的发展现状
1.3.1 国内光伏系统的发展现状
在中国,太阳能资源较为丰富并有着较大的开发潜力。目前中国太阳能产业主要集 中在太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统,且技术较为成熟。如今经多年的发展,中 国已成为全球重要的太阳能光伏电池生产国以及太阳能热水器生产使用量最大的国家。 中国光伏发电产业于 20 世纪 70 年代初起步,经过 30 多年的努力与快速发展,如 今中国光伏企业已达到一个新阶段。在近些年,统计于 2007 年底,在太阳能电池方面 生产的企业达 50 家,太阳能电池的年电产量达到 1188MW,逐渐接近并超过了世界领 先水平;在电力系统方向,全国光伏系统的累计装机容量达到 10 万千瓦。 2008 年太阳 能电池的产量继续提高, 达到 200 万千瓦。如今, 在国内“送电到乡”工程等项目和“光 明工程”先导项目及世界光伏市场的有力拉动下,光伏系统必将得到进一步地发展。

1.3.2 国外光伏系统的发展现状
进入 21 世纪以来,光伏产业一直迅速发展。在生产产量方面,2002 年全球光伏电 池产量为 560mw,到 2003 年已增长了 34%,高达 750mw。2004 年世界光伏电池年产 量达到 1256mw,年增长率高达 68%,2005 年产量达 1818mw,增长率略有下降,但仍 有 45%。此外,各种政策更是有力地推动了光伏事业的发展,2004 年开始,德国对可 再生能源法进行了修订,新的补贴法案促成了德国光伏市场的爆炸式发展,随之而来的 是发达国家间纷纷对其进行效仿并取得成功。以美国为例,2006 年,加州州长施瓦辛格 提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划” ,也就是在未来 10 年内建设 3000mw 光 伏发电系统的提案,标志着美国关光伏系统的政策的新时代的到来。正是因为欧美等发 达国家强有力的政策推动,加速了世界光伏系统的进程,使得太阳能光伏发电的前景无 限光明。 综上所述,世界光伏发电的高速发展主要表现在以下几方面[17]。 (1)生产规模的断扩大。光伏产业的龙头企业光伏电量年产量已超过 3000mw,在其 推动之下,如今已有更多的企业提出了建设年产 1000mw 电池生产线的目标。 (2)光伏电池产量持续增长。 近年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领 域之一,1999~2007 年间,光伏电池产量以年均增长率超过 40%的速度高速发展,太 阳能电池的年产量从 1999 年的 202mw 增加到 2007 年的 4000mw,增加了近 20 倍。 (3)光伏发展政策不断得以优化引发光伏市场飞速膨胀。在前文已经提出,2004 年 德国再生能源法的修订以及补贴法的修改,加速了德国光伏系统的发展。随后在 2005 年,美国效仿德国,通过“百万个太阳能屋顶计划”促进美国光伏系统的建设。在此推 动之下,世界大国光伏系统将纷纷加入改革行列,走向光伏系统发展的前沿,中国就加
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入了这一洪流,迅速发展。 (4)新技术不断出现,电池效率不断提高。随着自动化程度和生产技术水平的提高, 电池效率将由现在的水平向更高水平发展。少数公司采用最先进的生产工艺,已经率先 到达了效率 20%的目标,其他生产公司必定会纷纷效仿。

1.4 微电网概述
当今随着社会经济的发展,以集中式发电为主的大电网展现了其无法比拟的优势。 首先,大电网模式的自动化程度较高,可以在一定程度上节省人力资源;其次,大电网 远距离输电模式可实现高电网输电,减少了线路的损耗;再次,在集中式发电中,大机 组的应用也在一定程度上提高了其效率。 如今, 随着远距离输电电压等级的进一步提高, 集中式发电仍将作为当今输电的主流方式。 然而,随着电网的进一步发展,集中式发电的缺点也愈发显现出来。首先,随着电 网复杂程度的不断提高,大电网的运行成本和运行难度也进一步增大;其次,随着负荷 多样化的进一步发展,传统的发电模式也愈发难以适合各种不同的负荷特性;再次,大 电网较为脆弱, 其安全性及可靠性较差。 近年来世界各地多次发生大面积重大停电事故, 造成了巨大经济损失。2008 初,中国南方地区发生大面积冰灾,给南方电网造成了巨大 的不利影响,进一步暴露了传统大电网模式的脆弱性。 微电网是相对传统大电网提出的概念,是由分布式电源(光伏电源、风力发电机、 微燃汽轮机) 储能设备 、 (蓄电池等) 能量转换装置、 、 相关负荷和监控、 保护装置汇集、 按照一定拓扑结构形成的发配电系统。是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系 统,既可以与主网并列运行,也可以孤岛运行。 微网能在一定程度上减轻负荷对大电网的依赖,缓解传统能源的危机。而分布式电 源的多样性也能满足不能负荷的特性。微电网的安全性较高,且可以在小范围内将分布 式发电单元、网络以及用户终端相连结,方便地实现冷热电的联产,优化和提高了能源 的使用效率。

1.5

风能光伏混合微网

1.5.1 风能光伏混合微电网结构
风力机组与光伏系统的混合微电网结构如图 1-2 所示。 变速风力发电机采用直驱型 同步发电机与风力机直接耦合,无需风力发电系统的齿轮箱,减少发电机的维护量[15]。该 机组经变流器和逆变器以及变压器 T1 接入微电网。对于光伏系统,经过较为稳定的单级 逆变器再经变压器 T2 接入电网。这里选用蓄电池作为微电网的储能装置,通过逆变器接 入配电网,进行有功及无功的调节。
4

第一章 绪论

图 1-2 风能与光伏混合微电网结构

1.5.2

混合微网的有功无功输出控制

对于风力发电系统,在风光互补优化中,采用 PQ 控制策略,为保证最大限度地利 用可再生资源,根据[13],其参考输出有功值按追踪最大输出功率:
Pre f ? ? Pm a x ? ? 1 2

? A C p m ax

?w
3

? opt
3

(1-1)
Cp ? f

?? ,? ?

式中, ? o p t 为最佳叶尖速比,即在风能利用系数 Cp 为最大值时对应的叶尖速比。对 于固定桨距的风力发电机,取桨距角β 为 0。将风力机组的转速代入上式中,即可得出 最大参考功率。 对于风力发电机的出力控制,流程图如 1-3 所示。输入有功及无功功率的参考值, 偏差信号通过 PI 调节器之后分别输出 idref 及 iqref,利用 Park 变换将其转变为三相参考 电压 iaref 、ibref 和 icref 使用 SVPWM 控制法,实现有功无功的解耦控制。

图 1-3 风力机组有功无功的解耦控制

对于光伏系统,前面已经介绍过,在不同的环境,可以应用最大功率控制法来获得 最大功率时所对应的工作电压。将直流输出电压值与其比较并经过 PI 调节器输出 idref,
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再将输出无功与参考无功比较输出 iqref,同样根据 SVPWM 实现有功无功的解耦控制。如 图 2-3 所示。

图 1-4 光伏系统的有功无功解耦控制示意图

对于储能设备,同样对其进行有功与无功的解耦控制,这里不详加介绍。当风光混 合微电网并网运行时,配电网侧为分布式电源提供频率,蓄电池仅调节有功,以此来抑 制由于有功输出的波动所引起的风机和光伏系的电压变化; 当风光混合微网处于孤岛运 行状态时,此时使用蓄电池作为主控单元,通过调整其有功及无功的输出,以维持电压 和频率的稳定。保证分布式电源较高的供电质量。亦可实现风光混合微电网由并网运行 平滑、快速地切换到孤岛运行状态。

1.4 本文的研究的内容
基于上述基本理论,本次将重点对光伏电池进行相关研究,其主要内容如下: 1. 2. 3. 4. 5. 了解相关风光互补微电网的基本知识,明确光伏电池研究方向。 深入了解光伏电池的工作原理,分析光伏电池单二极管等效电路,根据厂家已给参 数求取未知参数,并建立光伏电池数学模型。 深入分析电导增值法的原理以及相关的计算流程,用 Simulink 建立其算法模块。 用 Simulink 建立 MPPT 控制电路,并分析当光照发生变化时输出电压、电流、功率 的变化。 建立光伏逆变电路,分析逆变电路逆变效果。

6

第二章 光伏系统的数学模型

第二章 光伏系统的数学模型
2.1 光伏系统的等效电路
为研究分析光伏系统的功率—电压特性及电流—电压特性并获取其最大功率工作 点,需建立相应的光伏等效电路。在当今众多等效电路中,单二极管模型可以较为准确 并简明地仿真光伏阵列的输出特性。单二极管电路如图 2-1 所示:

图 2-1

光伏阵列单二极管等效电路

单二极管等效电路中包含电流源、 二极管以及等效串并联电阻, 则电压—电流 (V—I) 关系式可以表示为:
I = I
ph

- I

0

? ? ? exp ? ? ?

V + IR n V
s t

s

? ? ?

- 1? -

? ?

V + IR R
sh

s

(2-1)

其中 V 和 I 分别指代模型的电压和电流。 I p h 和 I 0 分别为光电流和二极管的暗饱和 电流, V t 为结热电压,R s 和 R s h 分别为等效电路的串联电阻和并联电阻。 n s 为模型中串 联的光伏单元个数。 其中二极管的结热电压 V t 与 PN 结温度有关,其关系式如下:
Vt ?

KT A q

(2-2)

在式 2-2 中,K 为玻尔兹曼常数,K=1.38 ×10-12 J/K ,T 为 PN 结热力学温度,A 为二极管的理想系数,q 为电子所带电量。 式 2-1 所表示的光伏电池等效模型中,存在五个未知参数? 、0 、 、 和? 。 而光伏电池建模的主要目的在于在标准试验条件(STC)以及不同环境条件下通过生产 商给定的相关参数求取相应未知参数以仿真 I-V 输出特性。 光伏系统模型的参数是随着温度和光照辐射强度变化而变化的, 根据变化的参数可 以通过单二极管等效电路求取对应的最大功率工作点。

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2.2 光伏系统参数的求取
2.2.1 光伏系统的参数方
通常情况下,光伏电池制造者会给出以下的数据:开路电压 Voc、短路电流 Isc、最 大功率点工作电压 、最大功率工作点电流 以及光伏单元串联级数 。除此之外, 数据表通常还会给出光伏电池的短路电流及开路电压的温度因数, 分别记为K i 和K v 。在 V-I 特性曲线中,(0, )、( , 0)、( , )被认为是重要标记点。在本文中,我们就 重要利用这几点的数据来求取相关参数。 为简化计算过程,在式 2-1 中,由于自然底数指数项远大于 1,故 “-1”项可以忽 略不计,这样由重要标记点信息,我们可以得到下列三式:
I sc
= I
ph

- I

0

? ? ? e xp ? ? ?

I

sc s

R V

s t

n

?? ?? ??

I -

sc

R
sh

s

(2-3)

R

I

m pp

= I

ph

- I

0

? ? Vm pp + I m pp R s ? ? ? e xp ? ?? n V ? ? ?? s t

V -

m pp

+ I R

m pp

R

s

(2-4)

sh

I

oc

= 0 = I

ph

- I

0

? ? ? e xp ? ? ?

V n
s

oc

V

t

? ? ?

- 1? -

? ?

V R

oc sh

(2-5)

为简化计算公式,更好地区别已知参数、未知参数,以及输出量,各变量的替换符 号如下表所示:
表 2-1 参数变量的转换 数据表给出量 Isc Voc Vmpp Impp ns a1 a2 a3 a4 a5 短路电流 开路电压 MPP 工作电压 MPP 工作电流 单元串级数

等效电路未知参数 Iph I0 Vt Rs Rsh x1 x2 x3 x4 x5 光电流 二极管饱和电流 结热电压 等效串联电阻 等效并联电阻

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第二章 光伏系统的数学模型

显而易见,在 MPP 处,输出功率 P 对电压 U 的偏微分为 0。

dP dV

?V ? V ?

? 0
m pp

(2-6)

I ? I m pp

为求取五个等效电路中的未知参数,现已存在四个方程,现需列出第五个方程式。 我们可以观察到,在 V-I 特性曲线中,由短路点处的斜率我们可以得到[12]:
dI dV
V =0 I = Isc

= -

1 R sh o

(2-7)

在以下式中,y1、y2、y3 分别代表输出电流 I,输出电压 U 以及输出功率 P。 对于式 2-1,忽略了“-1”项之后,使用表 2-1 中的替换变量,可得:
y 1 ? x 1 ? x 2 e xp ?
? y 2 ? y1 x 4 ? y 2 ? y1 x 4 ?? x5 ? a5 x3 ?

(2-8)

对于式 2-5,重新整理并转换变量后可得:
? a ? a x 1 ? x 2 e xp ? 2 ? ? 2 ? a5 x3 ? x5

(2-9)

将式 2-9 中的 x 1 代入 2-8 和 2-3 中,可得下列等式:
y 1 ? x 2 ? e xp ?
? ? ? ? ? ? ? a2 ? ? y 2 ? y1 x 4 ? ? y 2 ? y1 x 4 ? a 2 ? ? e xp ? ?? ? x5 ? a5 x3 ? ? a5 x3 ?? ? ? a2 ? ? a1 x 4 ? ? a1 x 4 ? a 2 ? ? e xp ? ?? ? x5 ? a5 x3 ? ? a5 x3 ?? ?

(2-10)

a 1 ? x 2 ? e xp ?

(2-11)

同样为了简化计算,对于式 2-11,在中括号项中,由于第二项远小于第一项,这里 可以将其忽略。可得下式:
x 2 ? ? a1 ?
? ? ? a 2 ? a1 x 4 ? a2 ? ? e xp ? ? ? x5 ? ? a5 x3 ?

(2-12)

将式 2-9 中的 x 1 和式 2-12 中的 x 2 代入式 2-4 中,可得:
a 4 ? a1 ? a 3 ? a 4 x 4 ? a1 x 4 x5 ? ? a3 ? a4 x4 ? a ? a1 x 4 ? ? ? a1 ? 2 ? ? e xp ? x5 ? ? ? a5 x3 ?

(2-13)

根据参考文献[6],计算 y 3 对 y 2 偏微分,并进行变量替换,可得:
a4 ? a 3 B ? e xp ? D ? ? a 3 / x 5 1 ? B ? x 4 e xp ? D ? ? x 4 / x 5

(2-14)

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其中, B ? ( a 1 x 5 ? a 2 ? a 1 ? x 4 / a 5 ? x 3 ? x 5 ) , D ? a 3 ? a 4 ? x 4 ? a 2 / x 3 ? a 5 。 同样根据文献[6],计算当等效电路处于短路时 y 1 对 y 2 的偏微分,利用式 2-12 中得 到的 x 2 的表达式,代入式 2-7 中。同时由于 Rs<<Rsh,可得 Rsho≈Rsh。可得:
1 x5 B ? e xp ? E ? ? 1 / x 5 1 ? B ? x 4 e xp ? E ? ? x 4 / x 5

?

(2-15)

其中 E ? a 1 x 4 ? a 2 / a 5 x 3 。 以上我们得到了五个可求取未知参数的方程式, 即式 2-9 以及 2-12–2-15。 不难看出, 式 2-13 到式 2-15 为超越方程组,这也就需要采取相应的数学方法进行求解。同时可以 看出,以上三式变量相对于 x1 和 x2 完全独立,这也就使得五变量的求解转换为三变量 的求解问题—即 x3、x4 和 x5。以上三参数的求取可以采取高斯—赛德尔法进行求取,进 而根据式 2-9 及 2-12 求解 x1 和 x2。

2.2.2 高斯—赛德尔法的计算流程
高斯—赛德尔法为一种非线性代数方程组的迭代解法。利用该迭代方法可以解出 2.2.1 中提到的超越方程组,其求解基本原理可如下式所示:
x
k ?1

? f

?x ?
k

(2-16)

其中 xk 为经过 K 次迭代计算之后求取出来的未知变量。k+1 是在旧变量 xk 基础上经 x 第 K+1 次迭代计算的。该计算过程不断循环,直到 xk+1 和 xk 的差值小于误差允许的最 小值(由计算者自己给定) ,此时的 xk+1 即为最终所求之解。 对于光伏电池等效电路的未知参数,现应用高斯—赛德尔法,重新整理式 2-13 到 2-15,可得:
x3 ? a4 x4 ? a3 ? a2 J

(2-17)

其中: J ? a 5 ln ?

? ? a 1 ? a 4 ?? x 4 ? x 5 ? ? a 3 ? ? ? ?。 a1 ? x 4 ? x 5 ? ? a 2 ? ? ? ?
x4 ? a 2 ? a 3 ? a 5 x 3 ln ? M a4

?

(2-18)

其中: M ?

a5 x3 ?a4 x4 ? a4 x5 ? a3 ? a1 x 4 a 3 ? a1 x 5 a 3 ? a 4 a 2 x 4 ? a 4 a1 x 4 ? a 4 a1 x 5 x 4 ? a 3 x 2
2

x5 ?

a5 x3 x4 ? a5 x3 x5 ? N a5 x3 ? N

(2-19)

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第二章 光伏系统的数学模型

其中: N ? x 4 ? e xp ?

? a1 x 4 ? a 2 ? ? ? a1 x 4 ? a1 x 5 ? a 2 ? 。 ? a5 x3 ?

容易看出,式 2-17 为显式方程,而式 2-18、式 2-19 为隐式方程。在 2-18 中,x3 为 未知量 x4 和 x5 的函数。所以在初始化未知量时,优先初始化 x4 和 x5 的值,进而得到 x3 的值。然后迭代求得 x4 与 x5 的值。其算法流程图如图 2-2 所示。
开始 给定 a1 到 a5,以及最大迭 代次数和最大允许误差

初始化 k=1 以及 x4 和 x5


k≤kmax? 收敛失败

是 否
计算 x3k+1、 x4k+1 和 x5k+1 计算 error= +1 ? , 其中 i = 3,4,5

k=k + 1

误差小于最大允许误差?


计算 x1 和 x2

输出 x1 到 x5

结束

图 2-2

高斯—塞德尔法计算流程图

2.2.3 高斯—赛德尔法的初始化
根据 2.2.2 所述,只需初始化 x4 和 x5 两个值。对于大量的光伏模型的分析可知,通
11

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常来讲,x4 的值一般为几毫欧,而 x5 的值一般为几千欧。因此,对于 x4 和 x5,一般分 别初始化 0 和 1KΩ 。在绝大多情况之下,利用上述的初始化,高斯赛德尔法的计算都 会收敛,但是也会在少数情况下收敛失败。在这种情况,通常随机使得 x5 初始值远大于 x4 的值。初始值越接近真实值,收敛速度就会更快。 在 Matlab 的仿真过程中,在调试过程中可以时刻关注误差变量 error 的数值,观察 其变化的大小,如果 error 的值在不断变小,证明该初始化值以算相关的变化已趋于合 理,算法有望收敛;反之,如果 Tol 的值不断变大,说明初始值的设定合理性较差,收 敛失败,此时,对于等效串联电阻 Rs ,可以适应增大其初始值,例如 0.25 左右,而等 效并联电阻 Rsh ,可以适量增大其值,然后不断进行仿真以尝试仿真的可收敛性。

2.3 温度与光照对仿真参数的影响
光电流和二极管饱和电流的数值与相应环境参数有关。 而且光电流正是由光照所产 生的,故其大于正比于光照辐射强度,同时,光电流大小也与温度有关。 当环境的相关参数发生变化时, 光伏系统 I-V 特性曲线的重要标记点(0, )、 , 0)、 ( ( , )也会发生移动。其中短路电流的数值与光照辐射强度成正比,同时也与温度 成一定的比例。 光电流与短路电流与光照辐射强度的关系如下式所示:
x1 ? G

??

x 1 ? G s tc

?

G G s tc G G s tc

(2-20)

a1 ? G

??

a 1 ? G s tc

?

(2-21)

在式 2-20 和 2-21 中,G 和 Gstc 分别指代在当前环境以及 STC 的光照辐射强度。 对于光伏电池的开路电压,其与光照辐射并不直接比例关系,但是它受环境温度的 影响。在前面已经指出,在光伏电池的数据表中,给出了短路电流和开路电压的温度系 数 Ki 和 Kp。在不同的温度下,可得到当前开路电压和短路电流分别为: 1 = 2 + ( ? )
a 2 ( T ) ? a 2 ( T s tc ) ? K
v

(2-22)
?

?T

? T s tc

(2-23)

光伏电池等效模型中二极管的饱和电流也是关于温度的函数,与光照强度无关。观 察式 2-12,并将其转换为只有温度相关的函数,可得下式:
12

第二章 光伏系统的数学模型

x 2 (T ) ? ( a1 (T ) ?

a 2 (T ) ? a1 (T ) x 4 x5

? a (T ) ? ) e xp ? ? 2 ? x5 ? ?

(2-24)

同样,对于 x1,利用相同的方法,可得出:
? a (T ) ? a 2 (T ) x 1 ( T ) ? x 2 ( T ) e xp ? 2 ?? x5 ? a5 x3 ?

(2-25)

2.4 光伏模型仿真
2.4.1 实例光伏电池参数
现在以光伏电池 PV-MF165EB3 为例对其进行研究分析,根据高斯—赛德尔法使用 Matlab/Simulink 进行仿真,求取出各未知参数,各参数值如表 2-2 所示。如表中的值可 以看出,Rs 的值远小于 Rsh 的值,而且光电流的值极其接近短路电流的值。 表 2-2 光伏 PV-MF165EB3 的相关参数
等效电路参数 光电流 二极饱和电流 结热电压 等效串联电阻 等效并联电阻 7.36A 0.104μ A 0.034V 0.251ohm 1976ohm

数据表参数 短路电流 开路电压 MPP 电压 MPP 电流 单元串联级数 7.36A 30.4V 24.2V 6.83A 50

2.4.2 光伏模型的串并联
作为单个光伏电池,较小的输出电压以及较低输出功率使得其无法并网得到实际应 用,在这种情况,为得到较高的输出电压,可以通过单元的串联得以实现。一定量串联 的光伏单元称之为光伏串。同理,在获得要求的输出电压的前提下,为得出较大的输出 功率,可以相应并联一定量的光伏单元,称其为光伏列。 对于光伏串,其示意图及等效电路图如图 2-3 所示。在图中显而易见一系列串联起 来光伏单元串同样可以由一个单二极管模型替代,电路由相同的元素组成。然而对于不 同的单元串联个数,相应元件的参数有所不同。

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(a)光伏串示意图

(b)光伏串等效电路

图 2-3

考虑光伏单元串接的等效模型

对于光伏串,等效电路中的二极管饱和电流、光电流以及质量因粗线条的值保持不 变,与原值相同。但是,等效串联电阻和并联电阻是原值的串联数量对应的倍数。 同样, 对于一定数量的并联的光伏列, 其示意图以及等效电路如图 2-4 所示。 这里, 二极管饱和电流以及光电流为原值相应的倍数。同时,质量因数、等效串联电阻及等效 并联电阻的值保持不变。

(a)光伏列示意图

(b)光伏列的等效电路图

图 2-4

考虑光伏电源并联的等效电路图

2.4.3 光伏单元串并联实例
现以一个发电量为 80KW 的光伏阵列为例。现设定最大工作电压为 380V,对于光 伏 PV-MF165EB3 模型,在标准测试环境之下,其开路电压为 30.4V。因此,在光伏串 中,最多可以串联 15 个光伏单元。如果光伏阵列被控制在 MPP 处运行(有关控制方法 会在后文提到) ,而且假定每个单元都工作在理想工作点处。则有在 MPP 处,工作电压 为 363V,其中每个单元的输出功率为 165.29W,因此光伏串的输出功率为 2.47kW。因 此,为保证输出大约 80kW 的功率,需要并联 32 个光伏串以形成光伏阵列。 光伏阵列的参数可由光伏电池的数据表以及光伏电池串并联个数获得。 现设定光伏
14

第二章 光伏系统的数学模型

阵列的串联单元个数为 Nss, 并联单元个数为 Npp。 则光伏阵列的参数特性由表 2-3 表示。
表 2-3 光伏阵列的参数特性 光伏阵列等效模型参数 Isc × Npp Voc × Nss Vmpp × Nss Impp × Npp ns × Nss

光伏单元模型参数 Isc Voc Vmpp Impp ns

应用表 2-3 给定的数值,并使用高斯—赛德尔法计算出等效电路中的相应参数。对 于上文提出的发电量为 80kW 光伏阵列,其相应参数如表 2-4 所示:

表 2-4 光伏阵列等效电路的相关参数 参数 Iph Io Vt Rs Rsh 电路参数 235.57A 4.551μ A 0.034V 0.114Ω 926Ω 与单元参数的关系 Npp × Iph Npp × Io Vt Rs × Nss / Npp Rsh × Nss / Npp

2.4.4 仿真结果
现以上述 80kW 光伏阵列为例,采用 Matlab 中 Simulink 模块进行仿真。光伏封装 后模型以及封装参数如图 2-5 所示:

图 2-5 Simulink 光伏阵列模型封装图及参数

15

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由图 2-5 可以看出,Simulink 光伏阵列模型封装后共有三个输入端,分别是温度

T、光照辐射强度 S、输入电压 U ,一个输出端即输出电流 I 。封装参数共 7 个,分别
是短路电流、开路电压、最工功率点电压、最大功率点电流、单元串级数、阵列串联数 以及阵列并联个数。 在 PV system 封装模块中, 利用 fcn 模块编写高斯—赛德尔算法计算等效电路参数。 其内部结构如图 2-6 所示。 之后在温度为 25oC 光照辐射度为 1000W/m2,即标准测试条件下,运行模块得到其 V—I 特性曲线以及 P—V 特性曲线,得到的曲线如图 2-7 所示,经观察可得,当电压处 于 360V 以下时, 电流几乎不发生变化, 此时光伏阵列可视其为电流源; 在电压大于 360V 时,电流变化较大,而电压变化较电流极为缓慢,此时可视光伏阵列为电压源。在 2.4.2 中已提出,光伏阵列此时的最大功率电点应为 363V,观察 P—V 曲线,可以看出,在 0—363V,功率随着电压的上升而上升;在 363V 到开路电压处,功率又随着电压的上 升而下降。这就为最大功率的控制算法的提出提供了思路,有关 MPPT 控制将在第三章 进行详细说明。

图 2-6 PV 封装模型内部结构图

16

第二章 光伏系统的数学模型

a) 光伏阵列 I-V 特性曲线

b) 光伏阵列的 P-V 曲线

图 2-7 光伏阵列的 I-V 特性及 P-V 特性曲线

17

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第三章
3.1 电导增量法概述

光伏电池的最大功率控制

绪论已指出光伏系统的输出电压和输出电流两个无线性变量取决于光照辐射强度、 运行温度以及负荷运行特性。 正是由于该非线性导致了光伏系统的较低的能量转换效率。 为解决这一问题,必须控制光伏系统在对应环境下的最大功率工作点(MPP)运行,可 以通过在线或离线的相关控制算法来强制光伏系统工作在理想工作点处。现有多种 MPPT 控制的算法,而电导增量法由于其简易性与高效性得到了广泛的应用。 在前面已经观察了光伏阵列的 P-V 特性曲线, 可以容易的观察到光伏阵列的最大功 率点所对应的电压, 由控制单元计算出当前的电导及增值电导来决定增加或减少对应电 力电子器件的占空比,最终确定 MPP 点处于的电压,该过程由图 3-1 所示。

图 3-1

光伏系统 P-V 特性示意图

3.2 定步长电导增量法

电导增量法的核心思想在于控制使得 dP/dV=0,其核心数学表达方式可由下式表示 P=V × I
d P dV ? d ?V I dV

(3-1)

?

(3-2)

dP dV

? I ?V
1 V dP dV

?I ? ? I ?V ? ? ? dV ?V ? ?V dI
? I V ? dI dV

(3-3)

?

(3-4)

18

第三章 光伏电池的最大功率控制

观察式 3-4,其等式右侧由两部分组成,即电导以及增值电导,其中
G ? ?G ? I V dI dV

(3-5)

将电导以及增值电导代入式 3-5 中,可得以下表达式
1 V dP dV

?

? G ? ?G

(3-6)

由式 3-4 可以得到,当电导的值大于增值电导绝对值时,光伏电池工作电压小于最 大功率点电压,反之亦然。综上所述,电导增值法的任务就于追踪电导值与增值电导值 相同的电压工作点,即 MPP 点。即:
d P dV

? 0, G ? ? G

d P dV
d P dV

= 0, G = ? G

? 0, G < ? G

(3-7)

在电导增量法中,需要对光伏电池的工作电压及工作电流进行采样分析,对于传统 的电导增量法其计算流程如图所示: 上述计算流程, 通过对比增值电导与电导量的大小来决定是否改变现有的电压以及 电压的改变方向,增加或减小固定的步长,其 Simulink 仿真模块如图 3-3 所示。在该模 块中,基于第二章所给出的光伏阵列模型,以工作电压 U,输出电流 I 作为该模块的输 入,并利用 Zero-Order Hold 以及 Memory 模块对其分别进行采样,计算 dI 以及 dU,依 据图 3-2 所示的计算流程,将当前工作点 V 与最大功率点电压 Vref 之间误差与三角波信 号进行比较,然后与三角波做比较,输出 PWM 信号作为电力电子器件的开关脉冲。

19

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输入 V(k) (k) ,I

Δ V = V(k)-V(k-1) Δ I = I(k) - I(k-1)

Δ V=0



否 是
Δ I/Δ V = -I/V Δ I=0

是 否 是
Δ I/Δ V > -I/V Δ I>0

否 是


Vref = Vref -Δ Vref Vref = Vref +Δ Vref


Vref = Vref -Δ Vref Vref = Vref +Δ Vref

V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k)

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图 3-2 定步长电导增量法计算流程图

图 3-3 定步长电导增值法的 Simulink 仿真模块

20

第三章 光伏电池的最大功率控制

然而固定步长的电导增量法也有其显然可见的缺点,正因为选取了固定步长,使得 该算法在计算速度和精确度上无法达到一个很好的权衡, 在下一节本文将详细讲解一种 改进的电导增量算法。

3.3 变步长电导增量算法
3.3.1 变步长电导增量法的优点
在 3.2 中已经详细介绍了定步长电导增量法的计算原理及计算流程,在章节的最后 阶段也指出了定步长法存在着一定的局限性,主要在于以下两个方面。 首先,由于嗓声的影响以及误差的存在使得判断条件Δ I /Δ V = -I / V 很难以实现, 因此判断条件更改为|/ + /| < ,其中为接近零的正数。利用这种方法,当光 伏阵列运行在稳定工作点时,如图 3-4 所示,系统可能工作点 BC 其间或在 AB 及 CD 段之间震荡。因此,步长就应该在响应速度和计算精确性上得到权衡。即如果在剧然变 化的环境下(温度及光照辐射强度)步长较大,则在理想工作点附近会发生较大振荡, 精确性会受到影响,反之亦然。 下文将详细讲述一种改进的变步长式电导增值法。 该控制算法利用变步长来权衡动 态响应与计算精确度之间的关系。 其中, 其扰动步长可以根据固有的 P-V 特性自动调节。 如果工作点远离最大功率工作点,则步长增加以加快动态响应。反之当工作点接近最大 功率点时,步长减小以减少光伏系统在理想功率点附近的静态振荡,以及提高其光伏系 统的工作效率。

图 3-4

基于电导增量法的 MPP 工作点轨迹

21

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3.3.2 变步长电导增量法算法
变步长电导增量法的计算流程图如 3-5 所示, 其中 ? 1 、 ? 2 、 ? 3 均为接近零的正数。 而α 和β 为积累因数。由上节我们已经得出下式
dP dV ? I ?V ?I ? ? I ?V ? ? ? dV ?V ? ?V dI

(3-8)

而参考工作电压 Vref 的更新规则可表示为:
V ref ? V ref ? V step

(3-9)

其中:
V ste p ?

?V ?

? I ?V

?

?I ? ? ?V ?

? ? ?I

(3-10)

由上式可见扰动步长的符号已经包括在步长变量本身, 因此相比于定步长式的传统 电导增量法,该改进算法的流程图更加简洁。 在 Vref 的更新规则中,积累因数 ? 在一定程度上决定着控制算法的精度及动态响应 速度。而人工调节 ? 对于不同的 MPPT 控制系统来讲是相对困难的,因此,为确保较好 的最大功率跟踪效果,在启动过程中自动调节 ? 也就显得十分具有必要性。下式可以简 单地定义 ? 的取值:
? ?
V s te p _ m a x dP / dV
m ax

(3-10)

其中 Vstep_max 为在定步长的情况下所允许的最大允许更新步长, d P 下式计算:

/ dV

m ax

可以按

dP dV

P ?

V re f ? m V o c

?P

V re f ? V o c

m V oc ? V oc

?

m I

V re f ? m V o c

m?1

(3-11)

其中 m 为接近 1 的正数, 可以取其为 0.9, Voc 为光伏系统的开路电压。 较小的 ? 值 相对比于较大值动态响应较为缓慢。

22

第三章 光伏电池的最大功率控制

开始 输入 V(k),I(k)
Δ V = V(k)-V(k-1) ΔI = I(k) - I(k-1)


Δ V<ε
1

否 是 <ε
2

+ <ε 否
? ?I





3




I ?k ? ? ? V ?k ? ? ?

V re f ? V re f ? ? V

?k ?? ?

? ?V

?

V re f ? V re f ? ? ? I

V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k)

图 3-5 变步长电导增量法的计算流程

电流的变化值Δ I 变化表现出了当前天气的变化。观察光伏电池的 I-V 曲线可以得 出,在工作电压处于 Vmpp 和 Voc 时,光伏阵列的工作特性趋于线性,因此积累因数β 应 为接近 0 的正数。 对图 3-5 中所示的计算流程图,对图 3-3 中所示 Simulink 定步长电导增量法模块进 行相应调整,得到模块如图 3-6 所示。在该模块中,仍对工作电压 U 和 I 进行采样离散 化,与 3-3 不同的是,在这里将不再采用符号 Sign 函数以及 0.001 的固定步长,采取两 个 Switch 模块, 通过判断Δ V 与ε 对于积累因数α 1 的关系来判断变步长的两个因数。 , 依旧选择型号为 PV-MF165EB3 的光伏电池为研究对象,首先求取 dP/dV
max ,根据式

3-11,取 m=0.9,此时工作电压为 27.36V,通过图 3-5 所示的 Simulink 模型进行计算可 得出此时输出电流为 4.73A, 代入式 3-11 可得|d/d|_max = 0.9 ? 4.73/0.1 =42.57。 设 定最大步长 Vstep_max 为 0. 01,则α 可以取其为 2.35e-4,β 可取为 0.01。
23

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图 3-6

变步长电导增值法的 Simulink 仿真模块

3.4

最大功率控制电路

3.4.1 MPPT 控制电路原理
前文已经介绍,为达到最大的使用效率,光伏电池必须工作在最大功率点。然而由 于温度 T 以及光照辐射强度 S 的影响,光伏电池的工作会偏离 MPP 点。这也就需要在光 伏电池的输入与输出端增加相应的控制电路。许多 MPPT 的调节器使用微控制器和计算 机以实现复杂的算法,而且还有部分使用人工神经网络。这些系统都有着十分良好的性 能。然而它们过于昂贵并且这些方法均需要得到一套独立的、稳定的电能供给来维持其 运行;因此它们只在高能量场合适合应用。另外一种算法基于利用公式 ?/ ? = 0 以 搜索功作点,既由“?/ ?”产生的信号作为 MPPT 的搜索的方向,电导增量法即为其 中最为高效的控制算法之一。本节将重点讲解基于电导增量法的光伏电池控制电路。 首先,本文所采用的控制框图如 3-7 所示。在该控制方法中,光伏电池选用 PV-MF165EB3 单元, 以值为 5Ω 的电阻作为负载, 利用 Boost 直—直变流器追踪最大功 率点电压以输出功率给电阻负载。此时,MPPT 控制器必须使得“?/ ? = 0” ,根据光 照辐射度 S 和光电板的温度 T 调节占空比 α 则使上述控制得以实现。伴随着电导增 量法计算的进行,将当前电压与参考电压的误差作为比例—积分调节器的输入信号。信 号与单极性三角波进行比较,输出 PWM 信号以控制电力电子器件的开关。 在本文所提出的控制电路中, BOOST 直—直变流电路中选用 IGBT 作为开关器件。 电 感及电容如图 3-8 所示,其中,VGS 为控制单元输出的 PWM 信号,在α T 时段,IGBT 管导 通,电源为电感线圈充电,在其余的(1-α )T 时段,IGBT 管关闭,电感线圈向负载侧 放电。对于 Boost 电路,其等效输入阻抗为 Rin=(1-D)2R,即可通过调整其占空比来控制

24

第三章 光伏电池的最大功率控制

光伏电池的输入电压,完成 MPPT 跟踪。

a) MPPT 控制系统框图

b) 变流器开关器件占空比信号发生示意图 图 3-7 MPPT 控制原理示意图

图 3-8 Boost 升压电路示意图

3.4.2 仿真结果
基于上述控制电路,利用 Simulink 对不同环境下的光伏电池进行仿真,该仿真主 要致力于展示控制系统在剧烈的温度及光照强度变化时的响应。 仿真模块主要包括光伏 电池模板,MPPT 控制模块,以及变流器模块,其中最大功率采用定步长电导增量法,仿 真电池如图 3-9 所示。

图 3-9 Simulink 光伏模型仿真模块

为观察控制系统性能,现设定工作温度和光照辐射强度的初始值分别为 25 。 C 和 800W/m2。在 2s 以及 4s 时,光照辐射强度和温度分别变化为 1000W/m2 和 47oC,当时间
25

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为 6s 时光照辐射强度回归 800W/m2,仿真时间为 8s。光伏电池的工作状态如图 3-11 所 示。 从仿真结果可以看出,在 2s 处,由于光照的增加,光伏电池的输出功率从 121W 提 升到 165W,工作电压从 23.5V 变化为 24.6V。在 4s 处,温度升高,工作电压和输出功 率都均有所下降,工作电压降至 19.1V。在 6s 处,随着温度的升高以及光照的降低,输 出功率又降低为仅 103W,工作电压变为 18.3V。其中如表 3-1 所示。 综上可得,利用 Simulink 采取变步长的电导增量法,并利用 BOOST 变流电路可以 较好地控制光伏电池在最大功率点工作,而且稳定误差在允许范围之内,从而验证上述 控制方法的正确性。

a) 光伏电池输出电流

b) 光伏电池工作电压

c) Boost 电路输入功率

d) Boost 输出功率

图 3-10 Simulink 光伏模型运行状态

26

第三章 光伏电池的最大功率控制

表 3-1 光伏电池在不同气候下的工作状态

光照 S 和温度 T S=800W/m2 S=1000W/m S=800W/m
2 2 2

输出功率 (W) 工作电压(V) 121W 165 W 138 W 103W 23.5V 24.6V 19.1V 18.3V

T=25oC T=25 C
o o o

S=1000W/m T=47 C T=47 C

27

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第四章
5.1 SVPWM 控制技术

光伏系统的逆变

5.1.1 SVPWM 概述
光伏系统作为微网中的一个重要部分, 在其直流部分最大功率工作点控制研究的基 础之上,其逆变技术就显得十分重要,下文将基于 Simulink 仿真系统详细讲解有关光 伏电池模型的逆变的仿真。 SVPWM 技术,即空间电压矢量脉冲宽度调制技术,是近年来发展出的一种较为新颖 的方法。 是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制 波,能够使输出电流尽可能接近于理想的波形。空间电压矢量 PWM 调节和传统的 SPWM 不一样,对于 SPWM 调节,其目的在于得到三相对称的电压源,常常伴随较大的谐波分 量。 SVPWM 控制着想于使形成的磁链轨迹跟踪由理想三相平衡正弦波电压源供电时所 而 形成的基准磁链圆,与 SPWM 比较,SVPWM 调节使得电机转矩脉动降低,旋转磁场更逼近 圆形,而且在很大程度上提高了母线电压的利用率,且更易于实现数字化。下文将着重 介绍有关 SVPWM 的原理。

5.1.2

SVPWM 控制基本原理

SVPWM 调节以平均值等效原理为理论基础,即为在一个开关周期之中,通过对八个 基本电压矢量加以组合使其平均值与给定电压矢量相等。在某一特定的时刻,等效合成 电压矢量会旋转至某一扇区, 该矢量可以由该扇区相邻的工作矢量以及零矢量按照不同 的组合而合成。在一个采样周期之内分多次施加两个(或三个)矢量的作用时间,同理 去控制其它各个电压矢量的作用时间,使电压空间矢量接近按理想的圆轨迹旋转,通过 逆变器中电力电子开关的不同开关状态使实际磁通去逼近理想磁通圆。在本文中,光伏 电池的逆变电路采用全桥式逆变电路(Universal Bridge) ,全桥式逆变电路如图 4-1 所 示。

图 4-1 全桥逆变电路

28

第四章 光伏电池的逆变

设逆变器直流侧的电压为 Udc,交流输出侧的三相电压分别为 Ua,Ub,Uc,其三相 对称,在静止坐标系中相角互差 120。,现在定义该三电压矢量分别在各自的轴线上,大 小随时间按正弦规律变化。设其相电压的幅值为 Um,频率为 f。则有:
U a ? t ? ? U m co s ? U b ? t ? ? U m co s ? ? ? 2 ? / 3 ? U c ? t ? ? U m co s ? ? ? 2 ? / 3 ?

(4-1)

在式 4-1 中,有θ =2π ft,则三相电压空间矢量相加的和为:
U ?t ? ? Ua ?t ? ? Ub ?t ?e
j 2 3

?

? Uc ?t ?e

j

4 3

?

?

3 2

U me

j?

(4-2)

由式 4-1 可知, U(t)为一个以角速度为ω =2π ft 逆时针旋转的矢量, 其幅值为前相 电压峰值的 1.5 倍。而 U(t)在 a、b、c 三相轴线上的投影即为 U(a)、U(b)、U(c)的正 弦量大小。 由于逆变器三相桥臂共有 6 个开关管, 为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变 器输出的空间电压矢量,定义电力电子器件的开关函数 Sx ( x = a、b、c) 为:
?1上桥臂导通 Sx ? ? ? 0 下桥臂导通

(4-3)

(Sa、Sb、Sc)的全部可能组合共有八个,包括 6 个非零矢量 Ul(001)、U2(010)、 U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)、和两个零矢量
? U a b = U d c ,U b c = 0 ,U c a = -U d c ? ? U a N - U b N = U d c ,U a N - U c N = U d c ? ? U aN + U bN + U cN = 0

U0(000)、U7(111),下面以其

中一 种开关组合为例分析,假设 Sx(x=a、b、c)=(100),此时有
(4-4)

求解上述方程可得:UaN = 2Ud/3、UbN = -Ud/3、UcN = -Ud /3。同理可计算出其它各 种组合下的空间电压矢量,列表如下:

29

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表 4-1 开关状态与相电压和线电压的对应关系 线电压 相电压

Sa
0 1 1 0 0 0 1 1

Sb
0 0 1 1 1 0 0 1

Sc
0 0 0 0 1 1 1 1

矢量符号 U0 U4 U6 U2 U3 U1 U5 U7

Uab
0 Udc Udc 0 0 0 Udc 0

Ubc
0 0 Udc Udc Udc 0 0 0

Uca
0 0 0 Udc Udc Udc Udc 0

UaN
0
2 3 1 3 1 3 2 3 1 3 1 3 U
dc

UbN
0
? 1 3 1 U
dc

UcN
0
? 1 3 2 3 1 3 1 U
dc

U

dc

U

3 1 3 1

dc

?

U

dc

?

U

dc

?

U

dc

?

U

dc

?

U

dc

U

3 1 3 2 3

dc

U

3 2

dc

?

U

dc

?

U

dc

U

3 1

dc

U

dc

?

U

dc

U

3

dc

0

0

0

下图 4-2 给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。

图 4-2 电压空间矢量图

其中非零矢量的幅值相同(模长为 2Udc/3) ,相邻的矢量间隔 60°,而两个零矢 量幅值为零,位于中心。在每一个扇区,选择相邻的两个电压矢量以及零矢量,按照伏 秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量,即:
T 0 Tx 0 Tx ?Ty Tx T Tx ?Ty

?

U re f d t ?

?

U xdt ?

?

U ydt ?

?

U 0dt

(4-5)

或者等效成下式:
U ref ? T ? U
x

? T x ? U y ? T y ? U 0 ? T0

(4-6)

其中,Uref 为期望电压矢量;T 为采样周期;Tx、Ty、T0 分别为对应两个非零电
30

第四章 光伏电池的逆变

压矢量 Ux、Uy 和零电压矢量 U0 在一个采样周期的作用时间;其中 U0 包括了 U0 和 U7 两个零矢量。式(2-32)的意义是,矢量 Uref 在 T 时间内所产生的积分效果值和 Ux、

Uy、U0 分别在时间 Tx、Ty、T0 内产生的积分效果相加总和值相同。
对于三相对称电压,由式(4-2)可知,其在电压空间向量中合成一个等效的旋转 电压,旋转频率为三相电源角频率,等效旋转电压的轨迹将是如图 4-2 所示的圆形。故 要产生三相正弦波电压,可以利用以上电压向量合成的技术,在电压空间向量上,将设 定的电压向量由第一向量 U4(100)位置开始,每一次增加一个小增量,设载波的频率为 fs,而期望电压向量的频率为 f,则每一次的增量角为 2π fs/f。在每一小增量之内, 设定电压向量可以用该合成矢量所在扇区之中相邻的两个非零向量与零电压向量合成 而得,如此就可以等效为一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量,进而完 成 SVPWM 的调制。

5.1.3

基于 Simulink 的 SVPWM 仿真

首先根据 Clark 变换将 a、b、c 三相电压转换为静止坐标α 、β 的电压,Vα 和 Vβ 作为扇区的判断模块以及其他诸多模块的公用输入信号。 在扇区判断模块中,将电压再次从α 、β 坐标系转换为 a、b、c 坐标系的电压,其 转换公式如下:
ua ? V ? u b ? ?V ? / 2 ? u c ? ?V ? / 2 ? 3V ? / 2 3V ? / 2

(4-7)

现根据三相对称电压的相位关系,作出如下的判断〔14〕 : 对于 ua,如果 ua > 0 ,则 A = 1;反之,ua < 0 ,则 A = 0。 对于 ub,如果 ub > 0 ,则 B = 1;反之,ub < 0 ,则 B = 0。 对于 uc,如果 uc > 0 ,则 C = 1;反之,uc < 0 ,则 C = 0。 则判断扇区的公式为
N=A+2B+4C (4-8)

根据上述公式,搭建判断扇区的 Simulink 模型,如下图所示:

图 4-3 Simulink 判断扇区模块
31

华南理工大学本科毕业设计论文

完成扇区判断模块之后,下面进行变量 X、Y、Z 的计算,根据文献[14],可得:
X ? Y ? Z ? 3U ? T s / U d c

? ?

3U ? / 2 ? 3U ? / 2 T / U d c 3U ? / 2 ? 3U ? / 2 T / U d c

?

(4-9)

?

Simulink 计算 X、Y、Z 的模块如图 4-4 所示。 计算过变量 X、Y、Z 的值后,现在求取合成一个电压空间矢量其相邻两电压空间矢量的作用时 间即 T1、T2,T1、T2 的遵循表 4-2 表 4-2 各扇区电压矢量作用时间

N T1 T2

1

2

3

4

5

6

Z Y

Y -X

-Z X

-X Z

X -Y

-Y Z

然而要特别注意 T1 + T2 与开关周期 Ts 之间的关系。即当 T1 + T2 > Ts 时,应该重新确定 T1 和 T2 的值,且不需要零矢量作为一个开关周期之内时间的补充。此时有:
T1 ? T s ? T1
* * *

T1 ? T 2
T2
* *

T2 ? Ts ?

T1 ? T 2

*

(4-10)

其中 T1* 和 T 2* 为在表 4-2 中得到的数据。上述计算过程在 Simulink 中的模块如图 4-5 所示。

图 4-4 X、Y、Z 计算模块

32

第四章 光伏电池的逆变

图 4-5 各扇区电压矢量作用时间计算模块

SVPWM 控制的开关式分为七段式和五段式,这里将基于七段式控制方法来计算电压 空间矢量切换点 Tcm1 、Tcm2 和 Tcm3。同样根据〔14〕 ,可得:
Ta ? T s ? T1 ? T 2 4

Tb ? Ta ?

T1 2 T2 2

(4-11)

Tc ? Tb ?

现对于不同的扇区,其切换时间如表 4-3 所示:
表 4-3 切换点的赋值时刻
扇区号

1

2

3

4

5

6

Tcm1 Tcm2 Tcm3

Tb Ta Tc

Ta Tc Tb

Ta Tb Tc

Tc Tb Tb

Tc Ta Tb

Tb Tc Ta

同理,使用 Simulink 对此过程进行仿真,得到的模板如图 4-6 所示。

图 4-6 电压空间矢量计算点 Tcm1 、Tcm2 、Tcm3 模块
33

华南理工大学本科毕业设计论文

在上述计算的基础上,现需生成 SVPWM 波形(即逆变器的开关函数信号)以控制全 桥逆变电路的电力电子器件的开断。其生成波形模块图如图 4-7 所示。

图 4-7 SVPWM 产生波形图

在图 4-7 中,引入周期为 Ts 锯齿波的信号作为载波信号分别与 Tcm1、Tcm2、Tcm3 比较, 再利用相关逻辑信号产生六个电力电子器件的开关信号。再将上述系统封装并连接,得 到 SVPWM 的总仿真图如图 4-8 所示。

图 4-8

SVPWM 仿真图

这样 SVPWM 的仿真模板就搭建完成, 在此信号产生的基础之上可以实现光伏系统的 逆变。仿真结果将在下一章重要介绍。

34

第四章 光伏电池的逆变

5.2

光伏电池逆变的仿真
本文上一章中,着重讲解了 SVPWM 波形,现基于上述控制方法对光伏逆变做相关仿

真分析。对于光伏电池,仍选用 PV-MF165EB3 模型,同第二章中串并联情况相同,仍 串联 15 个单元,并联 32 个单元。通过调整 Boost 电路中的电容以及负载电阻值使直流 侧电压趋于稳定。 以上述光伏模型作为直流电压源 (对其进行封装) 给定三相正弦信号为每相 220V, , 频率 50Hz。通过 Clark 变换,转变为α 、β 两相静态电压,然后生成 SVPWM 信号, 通过低通滤波器(filter) ,观察相间电压 Uab 及 Ubc。其模块图如下:

图 4-9

光伏电池逆变仿真模块

在该模块中,PV with MPPT 即为带有 MPPT 功能的光伏电池模块,为防止由于初 始直流输出电压为零而造成 X、Y、Z 变量为 NaN,将其通过 Saturation 模块(设定其最 小值为 2)连入 Vdc 输入端口。仿真时长 0.5s,得到的波形如图 4-10 所示。

35

华南理工大学本科毕业设计论文

图 4-10 逆变侧 Uab 及 Ubc 波形

由波形可得,通过 SVPWM 逆变获得的两线电压呈较标准的正弦波形。在标准测试环 境下 (温度 25 C, 光照辐射强度 1000W/m ) 幅值为 302V, ab 和 Ubc 的相位相差 120 左右, U 基本完全符合理想逆变要求,验证了该逆变方法的准确性。
o 2 o

36

第五章

结论

第五章
5.1 本文总结

结论

本论文首先提出风光互补微电网的相关结构并对其控制策略进行概述, 随后重点研 究光伏单元,指出其单二极管等效电路,在该等效电路的基础上,提出了求取电路参数 的方法即高斯-赛德尔法。 并根据真实光伏电池组件 PV-MF165EB3 数据法所给定的数据 对光伏阵列仿真。 仿真结果可以看出, 该模型能够准确地仿真光伏阵列的 I-V 特性及 P-V 特性曲线。 随后提出了当今光伏学术界较为热门的 MPPT 即最大功率控制法。 本文采用电导增 量法计算当前电压与参考电压之间的误差,而通过调节 Boost 电路中 IGBT 管的占空比 来改变 Boost 等效输入阻抗来调节光伏电池工作电压,并对其在不同环境下的特性进行 仿真,仿真结果亦能够准备并快速地追踪光伏阵列的最大功率工作点。 论文提出了使用 SVPWM—空间矢量脉冲宽度调制法完成光伏电池的逆变,通过 Simulink 仿真可见,交流侧可得出较为标准的三向正弦波形,保持微网供电的质量。

5.2 后续工作
本文分析了光伏系统的模型建立,最大功率点跟踪以及逆变等相关问题,然而由于 尚未建立蓄电池模型,即缺少主控单元,本文并未建立起完整微电网,为进行更加深入 地对微电网的研究,后续工作如下: 1)由于 Simulink 仿真速度较为缓慢,故接下来转向 Hypersim 仿真系统,将本文建立 的 Simulink 模块移植入 Hypersim 中; 2)利用 Hypersim 建立蓄电池模型,并进行相应调试; 3)将风电、光伏、微燃以及储能模块相连,组成微电网,分析其并网以及孤岛运行特 性。

37

参考文献
[1]徐青山.分布式发电及其并网技术[M].北京:人民邮电出版社,2011. [2]殷桂梁,杨丽君,王珺.分布式发电技术[M].北京:机械工业出版社,2008. [3]刘翼.光伏并网发电系统建模仿真[D].北京:北京交通大学,2011. [4]翟津川.微网运行仿真研究[D].北京:北京交通大学,2010. [5]骆祖国.基于双馈电机的变速恒频风力发电系统的研究[D].广州:华南理工大学,2011 [6]茆美琴,余世杰,苏建徽.带有 MPPT 功能的光伏阵列 Matlab 通用仿真模型[J].系统仿真学 报,2005,17(5):1248-1251 [7]Abir Chatterjee,Ali Keyhani,and Dhruv Kapoor. Identification of Photovoltaic Source .[J]. Energy Conversion , IEEE Transactions on , 2011,26(3):883-889 [8]Yushaizad Yusof. Modeling and Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System[J]. IEEE Power and Energy Conference,2004:88-93 [9]Bangyin Liu,Shanxu Duan,Fei Liu et al.Analysis and Improvement of Maximum Power Point Tracking Algorithm Based on Incremental Conductance Method for Photovoltaic Array[J]. Power Electronics and Drive Systems, 2007. PEDS '07. 7th International Conference on,2007:637-641. [10]M.Salhi.A Maximum Power Point Control Photovoltaic System[J]. Control & Automation (MED), 2010 18th Mediterranean Conference on,2010:1579-1584 [11]Marcelo Gradella Villalva, Jonas Rafael Gazoli, and Ernesto Ruppert Filho. Comprehensive Approach to Modeling and Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays [J].Energy Conversion,IEEE Transactions on,December,2002,17(4):514-522 [12]D.Sera, R.Tedorescu and P.Rodriguez,"PV panel model based on datasheet values" [J]. IEEE Int.Symp.Electron,2007:2392-2396 [13]周念成,王强刚,杜跃明.风能与光伏混合微电网的建模和仿真[J].中国电力,2010,43(4):81-85 [14]范心明.基于 SIMULINK 的 SVPWM 仿真[J].电气传动自动化,2009,31(3):19-21. [15]付勋波,鄂春波,李建林,等.直驱风电系统中并联逆变器的仿真建模与分析[J].高电压技 术,2008,34(10):2228-2233. [16]万利,陶文彪.浅谈分布式发电技术[J].硅谷,2011. [17]陆文敏.太阳能光伏发电技术在上海的应用现状[J].科技创新导报,2008 [18]刘杨华,吴政球,涂有庆,等.分布式发电及其并网技术[J].电网技术,2008,32(15):71-76 [19]王 飞,余世杰,苏建徽,等.太阳能并网发电技术研究[J].电工技术学报,2005,20(5):72-74 [20]刘飞,段善旭,殷进军,等.单级式光伏发电系统 MPPT 的实现与稳定性研究[J].电力电子技术, 2008,42(3):28-30 [21]罗明,杨金明.双级式光伏系统最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术,2009,43(5):20-21 [22]吴理博.光伏并网发电系统综合控制策略研究及实现[D].北京:清华大学,2006
35

[23]刘飞,三相并网光伏发电系统的运行控制策略研究及实现[D].北京:北京交通大学.2009 [24] 崔 岩 , 蔡 炳 煌 , 李 大 勇 , 等 . 太 阳 能 光 伏 模 板 仿 真 模 型 的 研 究 [J]. 系 统 仿 真 学 报,2006,18(4):829-834 [25] 禹 华 军 , 潘 俊 民 . 光 伏 电 池 输 出 特 性 与 最 大 功 率 跟 踪 的 仿 真 研 究 [J]. 计 算 机 仿 真,2005,26(2):248-252 [26]王兆安,刘进军.电力电子技术[M]北京:机械工业出版社,2009

36

致谢
从 2012 年 1 月至今,已有近五个月的时间。在本论文的写作过程中,我的导师荆 朝霞老师倾注了大量的心血,从选题到开题报告,从写作提纲,到一遍又一遍地指出每 稿中的具体问题,严格把关,循循善诱,在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学 习期间给我极大关心和支持的廖名洋师兄以及其他师兄,正是他们的详细讲解,解开了 一个个不解之迷,使得研究学习进程更加顺利。 写作毕业论文是一次再系统学习的过程,毕业论文的完成,同样也意味着新的学习 生活的开始,我将延续这一状态到以后的研究学习生活中。

37


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