单级式光伏并网发电系统的仿真分析

文章编号:1006-9348(2008)03-0245-06

计 算 机 仿 真

2008年3月

单级式光伏并网发电系统的仿真分析

冯海峰,马德林,许良军

1

2

1

(1.北京邮电大学自动化学院,北京100876;2.厦门迈士通电器有限公司,福建厦门361009)

摘要:对于光伏发电系统而言,最主要的问题是提高系统的效率和稳定性。为了克服传统两级式光伏并网系统在效率和稳定性上的不足,文中改进了单级式光伏并网系统电路拓扑和适用于此拓扑的最大功率点跟踪算法,并通过在MatlabSimulink环境中搭建仿真模型,模拟系统在外部光照发生变化时的输出特性并对其进行验证和研究。仿真结果显示该系统能够高精度地实现对光伏电池最大功率点的跟踪(MPPT),高效地通过逆变器将有功功率送入电网,且输入电网的无功功率可调。关键词:光伏电池;最大功率点跟踪算法;并网逆变器;无功功率控制;仿真模型中图分类号:TM92 文献标识码:A

SimulationAnalysisofSingle-StageGridConnected

SolarInverterSystem

FENGHai-feng,MADe-lin,XULiang-jun

1

2

1

(1.AutomationSchoolofBUPT,Beijing100876,China;2.XiamenMilestoneElectronicCo.Ltd,XiamenFujian361009,China)

ABSTRACT:Inphotovoltaictechnique,highefficiencyandreliabilityaremainproblemstobesolved.Two-levelgrid-connectedphotovoltaicsystemhasobviousdrawbackswithrespecttoefficiencyandreliability.AnovelmethodforsimulatingtheworkstatusofthePVcellsandinverterusingnormalmodulesofferedbytheMATLABsoftwarepackageispresentedinthispaper.Thedifferentoutputfeaturesareresearchedwhentheinsolationarechanged.Thesimulationresultsindicatethatthissystemcantrackthemaximumpowerpointautomaticallywithhighaccuracyandtransferactivepowertogridwithhighefficiency.Thereactivepowertransferredtogridisundercontro.lKEYWORDS:PVcel;lMPPT;Gridconnectedinverter;Reactivepowercontro;lSimulationmodel

1 引言

光伏并网发电技术是新能源领域最近十多年发展起来的一个重要方向,它将光伏发电系统直接与电网相连,省掉了体积大,易损耗的蓄电池;在城市中安装,光伏阵列可以实现与建筑的一体化,节省安装成本;分散发电,就地使用,避免了输配电损失,减少了温室气体的排放。因此,太阳能光伏发电技术得到了持续的发展,分布式光伏并网发电已经成为太阳能利用的主要方式之一。

对于光伏发电系统而言,其中最主要的问题是如何提高系统的发电效率以及整个系统的工作稳定性。而传统的两级式光伏逆变器是由功率点控制器和逆变控制器分别控制,前者寻求光伏阵列的最优工作点,后者控制逆变并网过程。但是由于\"两级式\"的拓扑形式,在系统结构和控制方式上均存在不足。系统环节较多,导致体积、成本较高,效率低,可靠性不好;功率点控制和逆变控制分别由两个不同的环节完成,控制复杂,动态响应慢,且稳态、动态特性不易协调。

相比之下,单级式光伏并网逆变系统中只有一个能量变换环节。因此系统具有简单的结构,较高的效率和稳定性。但控制时既要考虑跟踪太阳能电池最大功率点,也要同时保证对电网输出电流符合电网要求,使得相应的控制系统变的比较复杂。

2 光伏发电系统结构

为了克服两级式光伏并网系统存在的缺陷,本文采用了一种无直流稳压的单级式光伏并网电路拓扑,以及适用于此拓扑的最大功率点跟踪算法。系统采用前馈与反馈控制相结合的方式[1]。SPWM发生器一方面要接受MPPT控制器的信号,实现对光伏电池最大功率点的跟踪;另一方面则要接受来自并网与无功功率控制器的信号,实现输出的SPWM与电网电压波形相位的同步。分别控制组成逆变桥的4个开关元件的通断。

系统总体结构如图1所示。

收稿日期:2007-01-22 修回日期:2007-02-15

)245)图1 光伏并网逆变系统总体结构框图

3 基于物理的光伏电池模块

光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的,所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能,由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象[2]。光伏电池组件的I-V特性随日照强度S(kW/m2)和电池温度t(e)而变化,即I=f(V,S,t)。根据电子学理论,当负载为纯电阻时,太阳电池的实际等效电路如图2所示。

3.1 光照变化时的光伏电池输出特性

当日照强度发生变化时,光伏电池输出特性也将发生变化,因此在仿真中改变日照强度可以模拟此时光伏电池的输出特性。图4和图5给出了当光照变化时光伏电池输出电压电流特性曲线,自上到下分别为光照强度1kW/m2,0.8kW/m2,0.6kW/m2;环境温度298K,器件温度330K,取Rs=2.258,Rsh=50008时的特性曲线。

图2 光伏电池等效电路

图3 光伏电池仿真框图

对应的I-V函数如下:

I=IL-I0(e其中Id=I0(eq(V+IRs)

AKTq(V+IRs)AKT

-1)-

V+IRs

Rsh

(1)

-1)为二极管结电流(A),IL为光

生电流(A),I0为反向饱和电流(对于光伏单元而言,其数量级为10-4A[3]),q为电子电荷1.6*10-19C,K为玻耳兹曼常数(1.38*10-23J/K),T为绝对温度,A为二极管品质因子(当T=330K时,约为2.80?0.15[3]),Rs为串联电阻(小于18[2]),Rsh为并联电阻(数量级为k8[2])。为计算方便,取参数[4]+=

q

,则AKT

I=IL-I0(e+(V+IRs)-1-V+IRs

Rsh

(2)

图4 光伏电池I-U曲线

而由文献[5]知,光生电流与电池所受到的瞬间光照强度S成正比增加,并且当取298K时,IL随温度的增高将产生+0.1%的变化,可以得到:

IL=5.46*10-3*S*(1+0.001(T-298))本文根据以上公式建立模型如图3所示。受控电流源IL模拟光生电流(A):

IL=2*5.46*S*(1+0.001*(T-Ta))[6]S为瞬间光照强度(kW/m2),T为环境温度,Ta为光伏电池器件温度。

Id模拟二极管结电流(A):

Id=2*8*10-4*(exp(C*U)-1)C=+,为常量,由光伏阵列决定。在组件模式中考虑个光伏单元的连接和等效q问题,+取0.033,比的计算值小许多[7]。

AKT

图5 光伏电池P-U曲线

(3)

由图可知,在光照变化的情况下,最大功率点也随之发生变化。在工程上,通常采用CVT(恒定电压控制)和MPPT(最大功率点控制)两种控制策略来选取系统的功率点。CVT控制通过将光伏阵列端电压稳定于某一个值的方法,确定系统功率点。这种策略的优点是控制简单,系统稳定性好。但在光照温度变化较大的情况下,CVT控制下的光伏阵

)246)

列工作点将偏离最大功率点,导致功率损失。MPPT是通过实时改变系统的工作状态,跟踪阵列的最大工作点,实现系统的最大功率输出,但是不同的MPPT算法具有不同的动态性能和稳定性。本文即采用改进的MPPT算法来实现较好的动态性能和稳定性。

4 功率主电路模块

仿真显示,由于电网电流存在回馈现象,即在一个周期的特定时间,存在电网向直流端回馈电流的情况,回馈电流频率为两倍工频。回馈电流的存在对直流端电压和电流传感器的干扰将导致MPPT控制失效。因此通过在电池和逆变桥之间加前级抗干扰环节和在控制算法中利用数字滤波算法以去除干扰。主电路仿真模型如图6所示。

图8 各级电流波形

载之间加入开关变换电路,利用开关变换电路对阻抗的变换原理,使得负载的等效阻抗跟随光伏电池的输出阻抗,从而

使得光伏电池输出功率最大。而在本文所采用的仿真模型中,通过改变输出SPWM脉冲宽度来调节系统的输出阻抗(即改变与锯齿波比较的参考正弦波的幅值),使得光伏电池的输出功率达到最大(图11)。目前常用的最大功率跟踪方法有[8]:1)功率匹配方法(Power-matchingscheme);2)曲线拟合技术(Curve-fittingtechnique);3)扰动和观察法(Perturb-and-observemethod);4)电导增量法(Incrementalconductancealgorithm)。方法1)需要得到太阳能阵列的输出特性,且只能应用在特定的辐

射和负载条件下,故存在一定的局限性。方法2)需要预先测得太阳能阵列的特性,用详细的数学函数来描述。但是,当寿命、温度和个别电池损坏时,该方法就失效了。方法3)是一个迭代过程,无需知道太阳能阵列的特性,因此是普遍使用的一种方法。其缺点是由于扰动的介入,系统工作点无法稳定在最大功率点上,造成一定的功率损失和较大的稳态振荡。方法4)则解决了这一问题,其计算准确,稳态振荡小,且能很好地防止对工作点的误判,在微处理器上实现也较为简单。本文即采用了这一控制策略。5.2 前馈控制的变步长MPPT控制算法

根据光伏输出伏安特性曲线,在最大功率点处,必定有dP/dU=0,其中P为光伏输出功率,U为输出电压。而作为电源,其输出功率P=I*U,其中I为输出电流。通过推导可以认为,在最大功率点处,式(4)成立。

dI/dU+I/U=0

(4)

图6 前级抗干扰逆变桥和升压滤波模块

由于电池电压受光照强度的影响,而电网电压保持恒定,因此为了向电网供电,就必须将电压提高到大于电网电压,所以在逆变器输出端加装升压变压器以达到此目的。同时,通过电感,电容和变压器组成滤波环节,滤去输出波形中的高次谐波,达到并网所需的要求。

图7 各级电压(V)波形

因此,导纳的增量可以决定是否已经达到最大功率点,从而在该点处停止对工作点的扰动。这就避免了在MPPT左右振荡,且能做到快速跟踪。如果条件不成立,MPPT工作点扰动方向可以通过比较dI/dU+I/U和0的关系来计算。

实际实现该方法的软件算法如图9所示流程图描述。每个采样周期对光伏电池输出电压和输出电流进行采样,U(k)和I(k)分别为第k个采样点的光伏输出电压和电流,dU=U(k)-U(k-1),dI=I(k)-I(k-1),dp=P(k)-P(k-1),P(k)=U(k)*I(k)。k和dk分别为产生SPWM

5 控制模块

5.1 光伏电池最大功率点跟踪策略(MPPT)

根据上面部分的分析,当日照强度和环境温度变化时,光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化,其输出功率也随之改变。而且当光伏电池应用于不同的负载时,由于光伏电池输出阻抗与负载阻抗不匹配,也使得光伏系统输出功率降低。解决这一问题的有效办法是在光伏电池输出端与负

)247)危害的扰动,让系统重新寻找最大功率点。

该算法利用MatlabSimulink中自带的EmbeddedMatlabFunction模块来实现。

图10为在光照强度为1kW/m2时光伏电池输出功率曲线图(横坐标为时间,单位秒)。MPPT控制器最终将最大功率点定在了1853.5W附近,而此时的理论最大功率点为1855W,系统定位精度在0.1%以内。

图10 恒光照下的最大功率点跟踪曲线

图9 最大功率点跟踪控制算法流程图

5.3 SPWM和并网与无功功率控制器

由于光伏发电系统需要对电网进行供电,因此必须保证系统输出电压与电网电压同频同相位;而光伏发电系统的输出电压波形和频率取决于控制开关元件通断的SPWM。而SPWM是由参考正弦波与一定频率的锯齿波相比较而产生的(图11),正弦值大于锯齿波的值,则输出1,即开通开关元件,反之则关断。幅值不同的正弦参考波产生宽度不同的SPWM波。

信号参考正弦波的幅值和单个采样周期的幅值增量。在实际情况中,光伏电池输出改变时存在两种情况:¹光伏输出电压和电流关系在同一条特性曲线上变动,此时电压和电流均发生变化;º光伏输出电压和电流关系变到另一条特性曲线上,光伏输出电压(或电流)有可能不变,而只是电流或电压发生变化。因此首先用dU=U(k)-U(k-1)来判断,其值等于零则表示输出特性不变或者已转到另一条特性曲线上,此时由于电压保持不变,故只需检测电流变化即可判断功率变化方向。电流不变表示系统输出特性不变,此时维持k值不变;电流增加表示系统工作点朝最大功率点方向移动,此时应减少k值以使得电压进一步增加;否则若电流降低则增加k值。当dU=U(k)-U(k-1)不等于零时,则可以利用式(4)的条件来判断工作点落在最大功率点的左侧还是右侧,然后相应调整k的值。理论上,该方法最终可以在最大功率点处稳定运行。

在仿真中,由于电网对光伏电池存在着谐波干扰,同时为了达到较高的灵敏度,如果采样周期过短,则有可能影响MPPT的跟踪效果,甚至由于干扰信号的原因导致跟踪错误;过长则导致跟踪缓慢,在天气剧烈变化的情况下不能同步跟踪。在本仿真模型中,采样周期为0.02秒,并通过平均值的方法进一步削弱干扰。为了减少系统的调节时间,提高定位精度,在本算法中,采用了以功率变化大小(dp=p(k)-p(k-1))来作为基准改变k变化的步长。远离最大功率点时化快,接近最大功率点时变化慢。

同时,由于存在母线电压崩溃现象[7],因此对k值的增大和减小采用不同的步长值,保证在光照跌落时,母线电压不至于跌落太多,保证系统稳定。

最后,由于实际参数设置的原因,在光照发生缓慢变化的情况下,有可能缓慢的光照变化信号会被当作干扰而被控制算法忽略,因此,在实际情况中,还应该每隔一定的时间对系统施加一个足以引起控制器动作但不会对系统安全造成

图11 SPWM的产生

由此可知,SPWM发生器的参考正弦波的频率和相位决定了SPWM的频率和相位,也决定了光伏发电系统输出波形的频率和相位。为了保证系统输出电压与电网电压同频同相位,因此需要并网控制器产生与电网相位,频率相等,幅值为1的参考正弦波。

仿真结果如图12(上方波形为电网波形,下方波形为控制器输出的经过无功功率控制环节矫正的参考正弦波波形)。

由于交流部分整形,升压,滤波环节都会造成相应的相位延迟,而且由于电感电容等分立元件事实上的参数分布不均衡导致相应的相位延迟值并不相同。因此不论在仿真还是实际得样机制造中,都需要为并网控制器配备输出无功功率控制环节。也就是将参考正弦波适当的提前一定的相位,从而有效的控制输出电压电流的相角差,达到对无功功率的输出控制和系统与电网的动态同步。其控制算法原理为:输出相角控制环节每隔一段时间对输出相角进行检测,当检测

)248)

图16 无功控制环节产生的超前的相角(度)

图12 并网控制器的输入输出波形

到系统输出相角大于设定值时,增加提前的相位角,反之则相反;直到系统输出相角达到允许的范围以内,同时采用变步长算法,对增加的相位角的步长进行控制。

由图12可见,不管0时刻电网相位为何值,并网控制器都能在电网电压过零且上升的时刻,自动产生与其保持一定相位差的参考正弦波,供SPWM发生器使用。SPWM发生器采用PowerSystem工具箱中已有的PWMGenerator模块来实现。

图13-图19为系统在光照发生变化时(0-6秒),系统的响应曲线(控制目标为MPPT和1的功率因数)。

图17 输出的电压电流的相位差(度)

图18 输出电压(V)和电流波形(A)

图13 光照强度变化曲线(KW/m2)

图19 输出的有功功率(W)和无功功率(VA)

图14 光伏电池输出功率曲线(W)

制。同时,在仿真中,系统也显示了良好的动态跟踪能力,较高的定位精度,较低的稳态振荡和较高的电能转换效率(在仿真模型中采用的工频变压器效率大约为93.5%的情况下维持了91%左右的整体效率)。

6 可行性分析

随着能源需求的增加和对温室气体排放的,零排放

图15 光伏电池输出电压曲线(V)

的光伏发电技术必然会得到广泛的应用。由于并网与无功功率控制器能够有效的选择自动并网时机,而且在系统运行期间通过对输出相角的监控达到输出与电网的动态同步,因此本文所仿真的发电系统既能单独运行,用于小功率的分布式发电,也可以通过并联的方式组成大功率的电能转化环节用于光伏电站。由于控制功能集成在了一个能量变换环节

综上所述,在本仿真模型中,MPPT控制器通过控制参考正弦波的幅值决定了SPWM的脉宽,并网控制器和无功功率控制环节决定了SPWM的相位,两者共同作用,在一个逆变环节中实现了最大功率点跟踪和同步锁相与无功功率控

)249)中,因此系统还具有结构紧凑,转换效率高和成本低的特点。[5] 赵争鸣,等.太阳能光伏发电及应用[M].北京:科学出版社,

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7 结语

本文提出并仿真了一种具有MPPT功能的单级式单相光伏并网系统,采用了具有功率前馈控制的变步长改进型MPPT算法使得MPPT控制器能够快速准确跟踪太阳能电池最大功率点。不论在光照强度环境温度等系统参数发生突变或者渐变的情况下都能快速寻找新的工作点,表现出较好的动态特性与稳态特性。同时,具有无功功率反馈控制的无功功率控制环节能够对系统的无功功率输出作出有效的控制,实现对电网稳定高效的有功功率输出。参考文献:

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[4] AMemhetandAAMohammed.AnewmodelforI-Vcharacter-isticofsolarcellgeneratorsanditsapplications[J].Solarenergymaterialsandsolarcells,1995.123-132.

[作者简介]

冯海峰(1982.11-),男(汉族),浙江人,硕士研究

生,检测技术与自动化装置专业。本科毕业于浙江大学电气工程学院电气工程及自动化专业;

马德林(1934.7-),男(汉族),福建人,高级工程

师,主要专长:模拟电路、数字电路仿真,计算机集

成,数据采集;

许良军(1956.8-),男(汉族),浙江人,机械工程硕士、电气工程博

士,北京邮电大学自动化学院副院长,教授,博导。主要研究方向:机电元件设计技术;机电系统动态特性分析与设计;计算机仿真;电接触理论与应用。

(上接第244页)

区域、挖空显示、任意方向切割显示、各种参数调整等多种功能,主要运用于CT图像或MR图像的后期图像处理中,用来帮助医生对采集到的二维切片图像进行三维重建和切片二维图像分析。改进的体数据绘制方法以及虚拟切片内插值处理等技术,提供了良好的图像质量和绘制速度,从而保证了系统的实时交互效果。本系统为今后的研究提供了一个良好的平台,在工程应用和医学可视化系统的设计和实现方面具有后续研究参考价值。

目前系统仅支持标准的DICOM数据,对于非规则体数据场和压缩的DICOM数据不支持。如何利用VTK强大的体数据场处理功能,使系统支持多种数据场的可视化,扩展系统的使用范围是今后的工作方向。参考文献:

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1999.

[2] WJSchroeder,KMMartin,WELorensen.TheVisualization

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[6] WillSchroeder,KenMartin,BillLorensen.TheVisualization

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[作者简介]

齐 敏(1968-),女(汉族),西安人,博士,西北工

业大学电子信息学院副教授,主要研究方向:医学可视化、三维图形、虚拟现实等;

位 军(1982-),男(汉族),贵州人,硕士研究生,

主要研究方向:医学可视化,图像处理;

陈世浩(1981-),男(汉族),河南人,博士研究生,主要研究方向:M.Lehmpfuhl(1980-),女,德国籍,博士研究生,主要研究方向:

医学可视化。

)250)