太阳能光伏并网逆变仿真毕业论文

1 太阳能光伏并网逆变仿真物理与能源学院 新能源科学与工程专业135032012125 萧海铃 指导教师陈曦摘要 随着社会不断发展，开发可再生能源越发重要，太阳能具有资源丰富、可再生且清洁等优点，是非常理想的可替代能源。本文选择三相光伏电压型并网发电系统，采用 SPWM的输出控制方式，提高太阳能利用效率，电流谐波小，满足光伏并网发电要求；并利用 Matlab 的Simulink 工具箱建立了太阳能光伏并网逆变仿真，验证了在太阳能电池输出电压出现阶跃激增或突降时，电流谐波小，系统保持良好的鲁棒性。关键词 三相电压型并网逆变器；光伏； SPWM ； Matlab ；1 引言1． 1 研究背景能源危机是能源短缺或价格上涨的结果， 甚至导致经济衰退， 如石油价格一路上升。 目前能源匮乏、环境污染的现状使得无污染的、 可再生的能源的发展变得举足轻重。 太阳能， 作为地球上最丰富的可再生能源， 在过去的 11亿年里， 只消耗 2的能量， 可以预测的是一种取不尽， 用不完的能源。 且随处可得，就地取用，因此对边远地区的发展很有优势，也不需要考虑运输问题，所需成本低。最重要的是，太阳能是一种无污染的、清洁的、安全的能源，不会像石油、核能产生废气、辐射，从而对环境造成损害，符合可持续发展的要求。图 1 利用太阳能发电的优点太阳能技术可以分为光热技术、 光生物技术、 光化学技术、光伏技术四类。 本次实验研究的就是太2 阳能发电技术，其优点如图 1所示 [1]。随着科技不断发展，光伏发电技术也取得了很大的突破，有广阔的发展前景和意义。1． 2 国内外光伏发电系统的发展现状根据欧洲光伏工业协会和太阳能光伏网的数据， 欧洲占有其主要市场。 2012年新增光伏装机的 55来自欧洲，约 7.6 GW ；其次是中国（ 5.0 GW ）、意大利（ 3.4 GW）、美国（ 3.3 GW）和日本（ 2 GW ）。对于累计装机，欧洲仍然全球领先，中国则紧跟其后，排名第二位。我国目前光伏发电的相关产业发展表现强劲， 2013-2015 年是发展迅猛的时期。 在国家十三五期间，出台了很多政策扶持我国光伏产业， 例如规划清洁能源、 规范光伏的开发、 开展光伏扶贫工程等等政策。光伏发电良好的应用远景也是其发展迅猛的因素之一。总之，光伏发电势头火热，并且有很大的潜力。1． 3 光伏发电主要研究方向逆 变器是这几年来开的热点，它在整个系统中占着举足轻重的地位，其发展方向可以总结为以下几点（ 1）逆变器的控制方式 [3-4]例如文献 [3]中设计了一种新的输出控制方法， 即采用基于前馈解耦空间矢量脉宽调制技术； 文献 [2]采用新的控制方式，即基于模糊 PID 控制的 MPPT 策略；文献 [4] 采用扰动观察法，是基于曲线扰动的。出现了很多新的、具有使用实用意义的方式。（ 2）逆变器的拓扑结构 [5]根据不同的条件， 逆变器的拓扑结构是有许多不同的分类的。 例如根据主电路的的不同可分为半桥逆变器、全桥逆变器；根据有无变压器作为隔离， 可以分为隔离和非隔离结构；根据输出电流的相位的数量， 分为单相式逆变器、三相式逆变器和多相式逆变器。各种拓扑适用于各种不同的场合， 实际运用中这些拓扑结构还可以相互搭配成各种不同的形式，以满足各种要求。（ 3）对于大型光伏发电系统应用的相关问题研究 [6-7]光伏发电技术在不断的发展中， 也有许多新的问题不断出现， 例如并联控制技术， 大功率并网系统和局部电网之间相互会不会产生不良的影响等等。1． 4 本文主要研究内容随着这项技术迅速的发展， 不断在控制策略、 拓扑结构的改进上取得成就。 并网发电的要求就是能够输出符合并网要求的电流， 即与电网电压有相同的频率和相位， 并且谐波小， 对系统污染小 [8]。因此，本文对进行了逆变器优化控制，采用 SPWM 方法，提高系统的功率，降低谐波含量。本文主要内容如下1、简单介绍了当今能源背景、光伏发电优点、当今光伏发电产业近况、目前主要的研究方向；2、分析光伏发电系统的分类，讲述通过并网型系统输出电流需要满足的要求；3、对系统拓扑结构进行了设计，采取 SPWM控制策略，以达到并网发电要求；4、根据前文的设计建立了仿真模型， 并进行了分析； 改变电感值进行了多次实验， 并进行了分析；3 2 太阳能光伏发电系统2.1 光伏发电系统的分类从不一样的角度切入， 将太阳能发电系统分门别类的方式就有很多。 凭借负载的差别， 可以将太阳能光伏发电系统分为独立型光伏发电系统、并网型光伏发电系统、混合型光伏发电系统 [9]。2.1.1 独立型光伏发电系统这个系统就是将获得的电能直接输出给负载。 其特点是具有蓄电池组， 以提高系统运行的稳定性和可持续性， 具有使用灵活、 成本较低的优点。 一般可以运用于为经济较不发达或者由于地形等原因电网没有办法达到的地区，例如偏远山村、通讯点等 [10] 。其运行结构框图如图 2。图 2 独立型光伏发电系统框架图2.1.2 并网型光伏发电系统并网型光伏发电系统中最重要的就是逆变器，它可以将光伏电池的输出转换成达到所需要求的电能， 通过控制逆变器与电力需求相匹配， 然后输送到电网端。 对于这个系统的研究是目前太阳能发电技术的主流趋势，受到了广泛的关注，也是本文研究的重点。它的结构如图 3。图 3 并网型光伏发电系统框架图4 2.1.3 混合型光伏发电系统混合光伏发电系统， 顾名思义， 即是上述两种发电系统相结合的组合。 同时具有以上两种发电系统的优点，即既能够储存电能以备不时之需，也可将电流并入电网， 得到广泛使用， 在地点的选用上也有很大的灵活性。其结构如图 4 所示。图 4 混合型光伏发电系统基本框架图2.2 太阳能光伏发电系统的组成部分光伏发电系统的基本架构有光伏阵列、控制器、逆变器、滤波器、蓄电池组、电网等。其基本结构如图 5 所示。图 5 太阳能光伏发电系统的构成图 5 中各部分的作用为1）光伏电池阵列其作用是将光能通过 P-N 结结构转换成电能，是价格最昂贵的组成部分；2）太阳能控制器它的作用是选择合适的 PWM 信号控制逆变器，使它输出符合要求的波形。3）逆变器经过光伏电池输出的电流是直流电，是不能满足发电要求的，而这个部分的作用就是将其转换为符合发电要求的交流电；4）蓄电池组其用处就是储备多余电能，以备不时之需。5 2.3 并网逆变器在光伏发电系统中，光伏逆变器和控制器是其重中之重的部分，通常人们把光伏逆变器和控制器统称为逆变器。需要具备如下三个功能 [11]（ 1） 对逆变器输出的电流进行控制， 使其输出的正弦波满足谐波小，与电网电压同频率、同相位，不产生污染。（ 2）实现直流侧输入电压的稳定控制，使其处于功率最大值，最大程度的利用太阳能，光伏电池价格高，这样使得太阳能电池板物有所值，从某种意义上来说也降低了系统的成本。（ 3）实现系统运行时的孤岛保护控制，防止发生孤岛效应以及其它各种保护控制，如过流，过压，欠压等，提高系统的可靠性和稳定性。这样就保证系统的高质量，提高系统使用寿命，从而减少需要进行系统维护的机率，降低工作量，降低成本。图 6 并网逆变器需符合的要求3 光伏系统拓扑结构的设计和控制技术分析光伏发电系统就是将太阳能通过光伏电池转换为电能，然后将电能转换为符合用户用电要求的电流，再输送到用户端的一整套设备。独立型的光伏发电系统，适用于分散的电网范围难以顾及的地区。因此， 相对独立型光伏发电系统来说，并网型发电系统更具普遍适用性，它利用效率高，并且不具备成本高、需单独维护的储能设备，以及很多其他方面的优点，是现在社会中更具实用价值的发电系统。3.1 并网逆变系统结构分析光伏并网逆变器据不同的条件有很多种分类的方式，最常见的是根据输入直流电源的不同可以分为电流型逆变器和电压型逆变器 [12] 。3.1.1 电流型逆变器电流型逆变器就是在光伏电池输出侧串联一个比较大的电感， 减小回路中的纹波电流。 虽然提供了一个稳定的电流环境供系统运行，但同时也增大了系统的阻值，造成谐波电流大， 破坏系统稳定性。 其结构如图 9 所示。6 图 9 电流型逆变器结构3.1.2 电压源型逆变器电压型并网逆变器结构如图 10 所示，它则是在直流侧并联一个大电容来减小电压纹波，使电压稳定，采用这种方式的系统电流谐波比起电流型的小得多，更有优势，也因此得到比较普遍的运用。图 10 电压型逆变器结构3.2 系统的主电路结构设计现在人们对用电需求量的要求越来越大， 因此大容量的逆变器是研究热点， 通常情况下大容量的逆变电路采用三相的形式 [13]。本文中，针对上文所提到的并网逆变器结构特点，以及本实验设计目的， 结合目前社会发展所需的光伏发电系统的形式， 本次实验选择三相电压型光伏并网发电系统。 其结构拓扑图如图 11 所示。由图 11 可以看到，本文所选用的是三相电压型并网逆变系统。其中，光伏电池输出直流电，然后在系统中并联一个较大的电容 C，给系统提供了平稳的运行环境。电流经过逆变器后输出的是交流电，然后系统采用了 L 型的滤波器，起到调节电流谐波等调节电能质量作用。图中的主功率开关器件为T1-T6 ，即绝缘栅型双极性晶体管（ IGBT ），又选择了二极管（ D1-D6 ）反并联在 T1-T6 上。通过选取7 合适的控制信号来控制 T1-T6 ，调节并网逆变器的输出电流，使其达到发电要求。图 11 三相光伏系统的原理图3.3 并网逆变系统工作原理一般来说，正常情况下三相并网系统都是出于平衡状态的。凭借文献 [14] ，我们发现其原理可以等同于单相系统的运行原理。其等效原理图如图 12。图 12 三相并网逆变器等效原理图其中， R 代表系统等效电阻， L 代表系统滤波器， Io 代表达到要求的、最后并入电网的电流， U 1代表逆变器端的电压值， U 2 代表电网两端的电压值。图 13 三相并网逆变器中运行的矢量图8 为了实现系统功率因数为 1 的要求， U 2 和 Io 之间的相位差应为 0。由此，构成的矢量图如图 13 所示。其中 Ur 是系统等效电阻的电压值，而 Uv 则是系统滤波器的电压值。 U r 与 U2 之间的相位差为 0，Uv 落后 U2 相位 90。因此可得 U1 与各矢量间的数量关系如下U 1I* （ RβL ） U 2 （式 3.1 ）在实际的操作中，我们可以利用器具测量出 U2 的一些数据，例如幅值、相位和周期。而 R 值的测量则比较不容易， 故需要通过电流负反馈的方法来获得馈入电流 I 的相位值。 为了达到输出符合发电要求的电流的控制目的， U 2 和 I 的相位要相同。据此，将公共网络的相位设置为当前的基准相位。过程中应对 I 的值实时检测，判断有否达到发电要求，然后输出符合条件的电流。3.4 并网逆变系统控制策略逆 变器的控制是指选择合适控制信号使逆变器输出符合要求的电流，这一部分是非常重要的，对结果的影响是十分明显的。3.4.1 输出控制的选择据 图 12 所示的矢量关系可知，有 2 种输出控制的方法，第一种是通过控制电压来控制电流，也称间接电流控制， 间接电流控制虽然操作简易， 但其系统运行速度是比较慢的，并且控制精度不高， 系统误差大，比较难以控制。 第二种是直接去控制输出电流， 也称直接电流控制，它通过锁相得到电网电压的相位，产生交流电流指令，通过反馈控制， 使输出电流跟踪指令电流值， 达到使输出电流跟踪电网电压的目的。 这种控制方式实现起来控制电路相对简单、 系统的动态响应速度非常， 在实际应用中均采用直接电流的控制方式。现 在常见的比较有优势的并得到普遍应用的控制方式有如下几种。其中 PI 控制 [15]方式是应用最普及的一类工程方法，优点多；滞环控制技术 [16] 是一种实时控制方式开关频率随机变化，产生间接的谐波电流，影像系统稳定；无差拍控制技术 [17]鲁棒性较差，实时性强，对硬件的要求太高；定时控制方式缺点是当前电流跟踪误差不固定，控制精度不高。SPWM 电流跟踪方式，即正弦脉宽调制技术，是一种优点很多的控制方式。其原理就是将实际测得的逆变器主开关器件输出的电流波形与给定的参考波形进行比较， 得出差别以后， 再经过放大输送到比较器中， 再与给定的参考三角波进行比较， 输出相应的控制信号， 以达到输出符合并网发电要求的目的。相对于滞环控制技术、定时控制技术、无差拍控制技术， SPWM方式使得系统的谐波值小，有很大的优势。其结构原理图如图 14 所示。图 14 SPWM 电流跟踪方式示意图9 4 仿真模型及结果分析4.1 仿真模型根据光伏并网发电需求， 以及光伏发电发展趋势， 使系统输出高质量电能， 电流谐波小，本实验设计了三相电压型并网逆变系统，在输出控制的方法选择上选择了 SPWM 控制方法。本文采用 MATLAB 软件， 它是一款进行交互仿真环境的优秀集成软件，使用 Simulink 建模与仿真非常简洁、方便，而且仿真结果直观可信，得到很好的仿真效果，节约了进行实际实验操作的成本。4.1.1 三相并网逆变器系统仿真模型通过前文的设计，利用 Simulink 建立了三相电压型光伏并网发电系统的仿真模型。该仿真模型如图 15 所示。图 15 三相电压型光伏发电系统的 Matlab 仿真图4.1.2 系统各个组成部分介绍（ 1）太阳能光伏电池阵列如图 16 太阳电池仿真模型。 Ir 为光照强度， T 为温度， 、 -为光伏阵列正负极。图 16 光伏电池阵列模块10 如图 17，该光伏组件的开路电压 36.3V ，短路电流 7.84A ，最大功率点电压 29V ，最大功率点电流 7.35A ，最大功率点输出功约为 213.15W。图 17 PV 封装模块参数设置界面本实验中要研究电压出现阶跃激增或突降时， 系统能否在这样的控制方式下电流谐波小、 有良好的鲁棒性，即系统够不够稳定，电流谐波多少。因此，如图 16 所示，左起的 step 和 step1 两个模块，给系统输入变化信号， 用于模拟太阳能电池温度变化，创造实验条件，对系统功能进行验证。 设定系统受到的光照强度为 1000W/m 2，设定 step 阶跃时间为 0.2s， step1 阶跃时间为 0.4s。通过 step 和 step1 这两个模块设定温度每隔 0.2s 变化一次，以验证系统稳定性。这两个模块参数如图 18 和图 19 所示。图 18 step 模块 图 19 step1 模块11 （ 2）三相电压型并网逆变器模块图 20 中， Universal Bridge 就是逆变器部分； Subsystem3 起控制作用，采用 SPWM 控制方式。图 20 三相并网逆变器仿真模块（ 3） L 型滤波器模块本系统采用的是 L 型的滤波器，滤波器，顾名思义就是起滤波作用，对逆变器发出的信号进行处理，减小电流谐波。本系统中设定 L 型滤波器的电感值为 2mH。其在 Matlab 中的仿真图如图 21 所示。图 21 L 型滤波器模块（ 4）电流检测模块这是电流检测模块在 Matlab 中的仿真图，对逆变器输出的电流起检测作用。如图 22 所示。图 22 电流检测模块12 （ 5）电网模块电网模块的仿真图如图 23 所示。图 23 电网模块4.2 仿真结果分析（ 1）示波器 scope1 的波形如图 24 所示。从图中可以看到，在光伏电池的电压出现阶跃激增、突降时，示波器的曲线是稳定的，由此说明，电压阶跃以后系统有良好的鲁棒性。图 24 示波器 scope1 输出结果（ 2）图 25 是直流电经过三相逆变器后输出的交流电的波形， 即示波器 scope27 所显示的三相电流仿真波形。13 图 25 三相并网电压仿真波形（ 3）由图 26 可以看出，在电压干扰输入后，系统的谐波电流较小，为 1.68（此时系统滤波器电感值是 2mH ），从而验证了系统具有较好的稳定性。图 26 系统输出的谐波电流含量（ 4）改变滤波器电感值进行了多次实验，得到结果如下1）如图 27，电感为 0.004H 时，电流谐波值为 0.88，比图 26 小。图 27 电感为 0.004H 时的电流谐波值14 2）如图 28，电感为 0.005H 时，电流谐波值为 0.73，比图 26 小。图 28 电感为 0.005H 时的电流谐波值3）如图 29，电感为 0.001H 时，电流谐波值为 3.82，比图 26 大。图 29 电感为 0.001H 时的电流谐波值4）如图 30，电感为 0.0009H 时，电流谐波值为 4.15，比图 26 大。图 30 电感为 0.0009H 时的电流谐波值由上述四个例子发现，系统的谐波值随着电感参数增大而减小。15 5 结论与展望本文研究太阳能光伏发电系统，系统要求符合的发电条件是输出质量高的电能，并且电流谐波小，对发电过程不造成污染。 电流谐波危害很大， 可能会导致电缆过热以致线路过早老化、 变压器过热以致缩短寿命、 保险丝烧断等后果， 因此应尽量减小电流谐波，以达到国家要求的标准。本文根据这样的要求，选择了三相电压型光伏并网发电系统，采用 SPWM 的输出控制方法。此外，还利用了 Matlab 中用Simulink 模块建立了光伏发电系统的仿真模型。 为了验证本系统的功能， 仿真中运用两个阶跃模块使光伏电池的温度发生突变， 使电压出现阶跃激增或突降， 然后观察实验结果。 得出结果是在设定系统电感值为 2mH 时，电流谐波小，仅为 1.68，示波器 scope1 输出稳定的波形，系统有良好鲁棒性；后又通过改变滤波器电感参数进行了多次实验，发现随着电感参数增大，电流谐波减小，随着电感参数减小，电流谐波增大的规律。由此可见， 要降低电网电流谐波，提高系统稳定性，可以选择参数较大的电感。但滤波器的电感参数受很多方面影响，并不是越大越好。首先是成本问题，其值越大，其成本也就越高。并且随着这个值的增大， 体积越大， 系统耗损也越大， 导致动态性能下降。 因此， 对于滤波器电感参数大小的选择来说，还需顾及多方面因素，例如对系统谐波电流的影响和自身损耗问题。太阳能光伏并网发电系统所涉及的知识是多方面的， 本文不足之处在于， 本文虽然对系统主要电路进行了研究，对孤岛效应电路、锁相电路等没有进行研究；对提高系统使用效率没有进行深入的研究。本人将在往后的工作里不断学习，做出改进。6 感谢在这即将分别的时刻， 我要对我的导师陈曦老师表达我真挚的谢意， 感谢她耐心指导， 在我遇到困难时点拨我的思路。 在我完成论文期间， 陈曦老师给我提供了很大的帮助， 她对我孜孜教诲， 对我的论文设计工作提出许多意见，并指导我改进，让我顺利的完成了论文。在这段时间， 陈曦老师对待学问钻研的态度、不断追求创新的精神和渊博的学识，均让我受益匪浅，成为我学习的目标。同时， 我也要感谢我的室友和同学， 他们在我的学习和生活上都给我提供了莫大的帮助， 在我遇到困难时，他们都很尽心的帮助我，我们互相陪伴、共同成长，是一个温暖的大家庭。最后，还有很多人要感谢，在此，我献上最真诚的感谢谢谢你参考文献[1] 潘进军 , 江滢 , 郭鹏 , 等 . 中国太阳能和环境气象因子影响分析 [J]. 科技导报 , 2014, 3220 16. 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What ’ s more, we used Simulink of Matlab to establish a solar PV grid simulation, when the verification suddenly changed, the current distortions, and the system maintains good robustness. Keyword PV grid-connected inverter, PV , SPWM, Matlab