第第9 9章章 光伏发电系统仿真光伏发电系统仿真Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC目目 录录9.1 仿真软件平台9.2 光伏电池特性数学表达以及仿真模型9.3 光伏发电系统主电路和负载模型及实现9.4 光伏发电系统控制模型及实现Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC9.1 仿真软件平台仿真和计算机辅助设计系统在技术上的优势：确定光伏发电系统基本性能。短时间内掌握系统特性。确定各个组成元件的参数。分析各种极端情况(失效、保护功能设计等情况)。控制策略的优化。全系统性能的改善和优化。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC仿真和计算机辅助设计系统在经济上的优势 ：缩短所必需的研发周期。成本优化(使用虚拟原型)。避免无效投资。减少必需的测试。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC用于电力电子应用系统仿真的商用软件，如PSPICE、 MATLAB、SABER、SIMPLORER和PSIM等，这些商用软件 各有各样的特点和适用范围。PSPICE主要应用于电子电路的仿真，在PSPICE下实现了 电力电子器件模型，但是在将这些模型用于电路仿真并采用比 较灵活的控制策略时仍有很大局限性，因此在PSPICE下实现像 光伏发电闭环控制这种复杂控制策略，具有相当难度。MATLAB下的SIMULINK/PowerSystem工具包也具有仿真 电力电子电路的功能，并且在实现控制策略方面具有很大的优 势，但是其采用的功率器件模型过于简单，电力电子主电路建 模也不够灵活。1. 仿真软件的综合比较Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICSABER和SIMPLORER是功能强大的电力电子仿真软件 ，作为仿真和设计工具，它们有自己的描述语言，可以进行用 户界面开发，适用于长期开发同类产品的设计。但是这一类软 件需要较长的学习过程，需要专业的软件工程师来开发和维护 ，不适合单独的项目研究和短期开发行为。PSIM是针对电力电子电路以及电力拖动而设计的软件， 其中的器件都基本采用理想模型，计算速度非常快，虽然不能 直接分析复杂的电力电子开关过渡过程，但是用户可建立自己 的器件模型，给建模带来了很大的灵活性。另外，PSIM软件具 有C语言和MATLAB/SIMULINK接口，在容易实现电力电子主 电路建模的基础上，充分扩展了控制策略的实现方式，集合了 几个仿真软件的优势。PSIM商用软件的价格相对便宜很多，这 也是PSIM的优势之一。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC2. PSIM仿真平台介绍PSIM是专门为电力电子与电机控制系统设 计的仿真软件包。由于PSIM仿真速度快，用户 界面友好，已成为电力电子、模拟和数字控制 、电机拖动系统等领域研究的强大仿真平台。PSIM is a simulation software specifically designed for power electronics and motor drives. With fast simulation and friendly user interface, PSIM provides a powerful simulation environment for power electronics, analog and digital control, magnetics, motor drives, and dynamic system studies. PSIM仿真软件程序构成Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICPSIMPSIM仿真程序仿真程序The PSIM simulation environment consists of the PSIM circuit schematic, the simulation engine, and the waveform processing program SIMVIEW.PSIM.exe : PSIM schematic program SIMVIEW.exe : Waveform display program SIMVIEW psim.lib, psimimage.lib : PSIM library files PcdEditor.exe : Device Database Editor for the Thermal Module s2z_converter.exe : s-domain to z-domain converter for the Digital Control Module SetSimPath.exe : Program to set up the SimCoupler Module for the co-simulation between PSIM and Matlab/Simulink.Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICPSIM 7.0 ADD-ON OPTIONS:PSIM 7.0 ADD-ON OPTIONS: Motor Drive Module Digital Control Module SimCoupler Module Thermal Module MagCoupler Module MagCoupler-RT Module PsimBook PsimBook ExercisesEcologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC仿真电路一般结构仿真电路一般结构Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICPSIMPSIM仿真流程仿真流程运行PSIM 。Run PSIM开始仿真。SIMVIEW自动打开，在SIMVIEW中，可以选取要显示 的波形进行编辑处理。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICPSIMPSIM仿真平台中元件参数说明和格式仿真平台中元件参数说明和格式Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICThe parameter value and the power-of-ten suffix The parameter value and the power-of-ten suffix lettersletters 参数格式十进制后缀缩写The math functionsThe math functions 数学表达式中的符号和函数Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC9.2 光伏电池特性数学表达以及仿真模型1. 光伏阵列物理机制的MATLAB仿真光伏阵列的等效直流电路模型Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICEcologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAICMATLABMATLAB仿真结果仿真结果Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC2. 基于物理机制的光伏阵列PSIM仿真模型端口S、T、P和N是与外围主电路相连接的端口，分别用于 设置光照强度、温度以及光伏阵列的输出电压端口。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC仿真模型测试电路和仿真结果仿真模型测试电路和仿真结果Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC通过基于物理机制的光伏阵列模型建立过程以及其对光伏 阵列的模拟效果来看，该模型具有以下的优缺点：优点： 基于光伏阵列物理本质，准确反映其物理特性。 模型参数与实际参数严格对应，仿真精度高。 子电路接口简单，容易用于电路仿真。缺点： 基于光伏阵列物理本质建模，模型较复杂。 参数与光伏阵列的内部物理参数对应，常规电路仿真用户解 读困难。 模型参数与光伏阵列产品的常规参数对应关系不明确，参数 求解困难。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC3. 基于外特性的数学表达光伏阵列的伏安外特性可以使用近似下式来拟合：系数m和n是用来拟合曲线的形状。它们跟光伏阵列输出最 大功率的工作点(Um，Im)有密切关系，如式所示：某个光伏阵列模型，通过数学计算得出m=2.3，n=4.6。Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically CreativelyPHOTOVOLTAICPHOTOVOLTAIC4. 基于外特性的光伏阵列模型PSIM下实现的光伏阵列外特性模型电路Ecologically Economically CreativelyEcologically Economically