太阳能并网发电系统的仿真研究太阳能并网发电系统的仿真研究指导老师：李静指导老师：李静 姓姓 名：杨勇名：杨勇 学学 号：号：0805044118光伏并网发电系统的总体设计光伏并网发电系统的总体设计 2 光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 总结与展望总结与展望 5 目录目录 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 1 完整光伏并网系统的仿真完整光伏并网系统的仿真 4 1.1 光伏发电概念的提出光伏发电概念的提出 当今世界，由于石油、天然气等不可再生能源日益短缺且当今世界，由于石油、天然气等不可再生能源日益短缺且大量化石能源燃烧导致大气污染、酸雨和温室效应的加剧。因大量化石能源燃烧导致大气污染、酸雨和温室效应的加剧。因此可再生能源与清洁能源的发展迫在眉劫，而此可再生能源与清洁能源的发展迫在眉劫，而太阳能太阳能是一种用是一种用之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到达地球表面的辐之不竭、储量巨大的清洁可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。 光伏发电光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式。转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式。 目前，光伏发电在全球范围内迅猛发展，它不止替代了部分化石能源，目前，光伏发电在全球范围内迅猛发展，它不止替代了部分化石能源，甚至未来会成为世界能源供应的主体，因此是世界各国可再生能源发展的甚至未来会成为世界能源供应的主体，因此是世界各国可再生能源发展的重点。重点。光伏并网发电系统，是当今世界光伏发电技术的主流发展趋势。光伏并网发电系统，是当今世界光伏发电技术的主流发展趋势。课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 1 1.2 光伏发电的优缺点光伏发电的优缺点课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 1 缺缺点点 系统成本高系统成本高 储能困难储能困难 地域性强地域性强 间歇性大间歇性大 能量分散能量分散 优优点点 潜在经济性潜在经济性 使用寿命长使用寿命长 分布广泛分布广泛 清洁无污染清洁无污染 资源充足资源充足 光伏并网发电系统主要由光伏阵列、光伏并网发电系统主要由光伏阵列、Boost升压电路、逆升压电路、逆变电路、控制电路等环节组成。变电路、控制电路等环节组成。 2光伏阵列光伏阵列 Boost电路电路 并网逆变器并网逆变器 滤波器滤波器 MPPT控制控制 并网控制并网控制 本地负载本地负载 电网电网 控制电控制电路路 主电路主电路 PWM PWM 光伏并网发电系统总体设计光伏并网发电系统总体设计 2 2.1 MPPT控制控制 由于光伏阵列的非线性特征，在一定的光照强度和环境温由于光伏阵列的非线性特征，在一定的光照强度和环境温度下，只有唯一的一个电压值对应着光伏电池的最大输出功率。度下，只有唯一的一个电压值对应着光伏电池的最大输出功率。因此，根据光照强度、环境温度等变化不断来调整光伏电池的因此，根据光照强度、环境温度等变化不断来调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点称为最大功率点跟踪工作点，使之始终工作在最大功率点称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术。通过控）技术。通过控制制Boost电路的功率开关管通断可以进行整个系统的阻抗匹配，电路的功率开关管通断可以进行整个系统的阻抗匹配，从而寻优最大功率点。从而寻优最大功率点。 光伏并网发电系统总体设计光伏并网发电系统总体设计 2 2.2 并网控制并网控制光伏并网发电系统总体设计光伏并网发电系统总体设计 2 这里这里采用了有效值外环、瞬时值内环的控制方式采用了有效值外环、瞬时值内环的控制方式，其控制，其控制过程如下：过程如下： 输出电流经过采样后，作为有效值计算的同时与给定参考输出电流经过采样后，作为有效值计算的同时与给定参考信号的有效值进行比较，得到的误差信号经外环信号的有效值进行比较，得到的误差信号经外环PI调节器处理调节器处理后的输出作为内环参考正弦波的幅值，这个幅值乘以与电网电后的输出作为内环参考正弦波的幅值，这个幅值乘以与电网电压同频同相的单位正弦波后作为内环给定信号；内环给定信号压同频同相的单位正弦波后作为内环给定信号；内环给定信号与输出电流瞬时值进行比较，得到的误差信号经内环与输出电流瞬时值进行比较，得到的误差信号经内环PI调节器调节器运算处理后，得到内环的控制信号；最后这个控制信号被送入运算处理后，得到内环的控制信号；最后这个控制信号被送入PWM发生器，与三角载波调制比较后产生的发生器，与三角载波调制比较后产生的SPWM信号，经信号，经驱动电路隔离、放大后，再驱动功率开关器件驱动电路隔离、放大后，再驱动功率开关器件TI、T4，最后经，最后经滤波电感滤波电感L馈入与电网电压同频、同相的正弦波电流电。馈入与电网电压同频、同相的正弦波电流电。光伏并网发电系统总体设计光伏并网发电系统总体设计 2 光伏并网发电系统的总体设计光伏并网发电系统的总体设计 2 3.1 逆变环节仿真原理图逆变环节仿真原理图 光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 3.2 逆变环节开环状态下的仿真结果逆变环节开环状态下的仿真结果光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 交流电网电压波形桥式逆变电路输出电压波形调制比K=0.8，调制角度为0时的并网电流波形调制比K=0.99，调制角度为0时的并网电流波形由由上上图可以看出：图可以看出： 1）开环状态下，无论调制比）开环状态下，无论调制比K为为0.8还是还是0.95，并网电流，并网电流波形和电网电压之间有明显的相位差；波形和电网电压之间有明显的相位差； 2）当调制比）当调制比K为为0.8时，输出电流的幅值明显低时，输出电流的幅值明显低K=0.95时时的并网电流的波形；的并网电流的波形； 3）当直流电压固定时，增大）当直流电压固定时，增大K，不但可以改善并网波形，不但可以改善并网波形，同时可以改变并网电流和电网电压之间的相位差。同时可以改变并网电流和电网电压之间的相位差。光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 3.3 逆变环节闭环状态下的仿真结果逆变环节闭环状态下的仿真结果光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 交流电网电压波形桥式逆变电路输出电压波形调制比K=0.8，调制角度为10时的并网电流波形调制比K=0.99，调制角度为10时的并网电流波形由由上上图可以看出：图可以看出：1）闭环状态下，并网电流的波形明显改善；）闭环状态下，并网电流的波形明显改善；2）闭环状态下，设定指令电流和电网电压的角度差）闭环状态下，设定指令电流和电网电压的角度差(滞滞后后)为为100，可以看出，并网电流和电网电压之间仍然存在一定，可以看出，并网电流和电网电压之间仍然存在一定的相差；的相差； 3）闭环状态下，改变指令电流和电网电压的设定角度差，）闭环状态下，改变指令电流和电网电压的设定角度差，可以改变并网电流和电网电压之间的实际相差，从而可以实现可以改变并网电流和电网电压之间的实际相差，从而可以实现对电网的无功补偿对电网的无功补偿光伏并网逆变输出环节的仿真光伏并网逆变输出环节的仿真 3 4.1 光伏并网系统的仿真原理图光伏并网系统的仿真原理图完整光伏并网系统的仿真完整光伏并网系统的仿真 4 4.2 光伏并网系统的仿真结果光伏并网系统的仿真结果完整光伏并网系统的仿真完整光伏并网系统的仿真 4 开环状态下的仿真图开环状态下的仿真图完整光伏并网系统的仿真完整光伏并网系统的仿真 4 闭环状态下的仿真图闭环状态下的仿真图 由由光伏并网光伏并网发电发电系统系统的仿真结果可以看出，其的仿真结果可以看出，其在开环状态在开环状态下的并网电流和电网电压有明显的相位差下的并网电流和电网电压有明显的相位差，而在采用相应的控，而在采用相应的控制策略后，即闭环状态下，其制策略后，即闭环状态下，其并网电流和电网电压并网电流和电网电压实现了严格实现了严格的同频同相，产生了稳定、高品质的正弦交流电，可以安全可的同频同相，产生了稳定、高品质的正弦交流电，可以安全可靠的并入电网中。靠的并入电网中。 针对光伏并网发电系统未来的发展趋势来看，我们还需对针对光伏并网发电系统未来的发展趋势来看，我们还需对以下几个方面做进一步的研究和探索：以下几个方面做进一步的研究和探索： 1）开展新的控制策略的研究，提高并网电流波形的质量，）开展新的控制策略的研究，提高并网电流波形的质量，提高系统的效率，降低成本。提高系统的效率，降低成本。 2）加强）加强“孤岛效应孤岛效应”的检测与防止。的检测与防止。“孤岛效应孤岛效应是指在是指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象。象。“孤岛效应孤岛效应对设备和人员的安全存在重大隐患。对设备和人员的安全存在重大隐患。 3）依靠智能电网，实现光伏电源平稳上网。）依靠智能电网，实现光伏电源平稳上网。总结与展望总结与展望 5