光伏发电系统建模及其仿真(毕业设计论文).docx

本科生毕业设计说明书（设计论文）题目：光伏发电系统建模与其仿真光伏发电系统建模与其仿真摘要伴随着能源危机和环境问题的不断加剧，清洁能源的发展进程被大大的推动r。太阳能作为一种新能源以其没有污染，平安又牢靠，能量随处可以得到等优点越来越受到人们的吉昧。无论从近期还是远期，无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度考虑，太阳能发电都极具有吸引力。那么对光伏发电系统的探讨则就变得既有价值又有意义。通过对光伏发电系统的理论探讨学习，建立了完整的光伏发电系统体系，木文深化的探讨r光伏电池在不同光照强度、不同温度下的电压、功率输出特性>>本文的探讨重点是光伏发电系统的限制技术，以与在Mat1.awsimiink仿真环境卜的仿真结果。探讨了多种最大功率点跟踪方法：且分别探讨学习了在光伏并网和独立发电系统状况下的逆变器和MPPT的限制，并建立了仿真模型，提出了相应的限制策略.且在最终论述了孤岛效应的产生和反孤岛策略，用电压频率检测法完成j'孤岛检测与爱护。关键词：光伏电池，逆变器，最大功率点跟踪，孤岛效应，MAT1.AB仿真AbstractWiththegrowingenergycrisisandenvironmenta1.prob1.ems,c1.eanenergyisgreat1.ypromotethedeve1.opmentprocess.So1.arenergyasanewkindofenergyforitsnopo1.Iution,safeandre1.iab1.e,wide1.yavai1.ab1.eenergyadvantages,suchasmoreandmoregetthefavorofpoop1e.Nomatterfromthenearfutureor1.ong-datedand,nomatterfromtheAng1.eofenergyandenvironment,orfromremoteareasandspecia1.app1.icationsdemandpointofview,so1.arpowergenerationisextreme1.yattractive.Sothestudyofphotovo1.taicpowergenerationsystemhasbecomebotharewardingandmeaningfu1.Throughthestudyoftheoretica1.researchofphotovo1.taicpowergenerationsystem,estab1.ishedacomp1.etesystemofphotovo1.taicpowergenerationsystem,thispaperin-depthstudythephotovo1.taicce1.1.sunderdifferenti1Iuminationintensity,temperature,vo1.tage,poweroutputcharacteristics.Inthispaper,theresearchemphasisisthecontro1.techno1.ogyofphotovo1.1.aicpowergenerationsystem,andthesimu1.ationresu1.tsinMAT1.AB/SIMU1.INKenvironment.Discussedavarietyofmaximumpowerpointtrackingmethods;And,respective1.y,todiscussthestudyundertheconditionofindependentpowergenerationandphotovo1.1.aic(pv)gridsystemoftheinverterwithMPPTcontro1.,andestab1.ishedthesimu1.ationmode1.,putforwardthecorrespondingcontro1.strategy.Andis1.andingisdiscussedattheendoftheproductionandthereverseis1.andstrategy,usingfrequencyvo1.tagetestscomp1.etedis1.anddetectionandprotection.Keywords:photovo1.1.aicbatteries,inverter,maximumpowerpointtracking,is1.anding,theMAT1.ABsimu1.ation书目摘要IAbstractII第一章绪论11.1新能源发电的背毋和意义11.2光伏产业的现状和前景2太阳能光伏发电的发呈现状2光伏发电产业的前景51.3本文设计内容5其次章光伏发电系统概述62.1光伏发电系统的基本工作原理62.2光伏发电系统的组成72. 3光伏发电系统的分类8太阳能独立光伏发电系统82. 3.2并网光伏发电系统10互补型光伏发电系统H第三章光伏发电系统建模与其仿真132.1 光伏电池阵列的建模132.1.1 光伏电池阵列的数学模型132.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响162.1.3 强度模型183. 2光伏发电系统的主电路模型19光伏并网发电系统的主电路模型20离网型光伏发电系统的主电路的模型21第四章光伏发电系统的限制技术224. 1光伏发电MPPT技术224. 2电导增量法24电导增量法的原理24电导增量法改进271 .3最大功率限制技术仿真284 .4光伏并网发电系统的限制33并网逆变器限制334.4.2电流环的分析建模36锁相环的原理分析384. 5离网光伏发电系统的限制414.5.1光伏充电限制分析41独立光伏发电系统的逆变器限制技术46第五章光伏并网系统中的孤岛效应495. 1孤岛效应的分析和危害505.2孤岛效应的检测51孤岛检测标准51孤岛检测方法52结论58展望59参考文献60致谢63第一章绪论1.1 新能源发电的背景和意义能源始终是人类社会生存和发展的动力和源泉。伴随着社会的不断发展和进步，化石能源的储量也在日趋枯羯。在国内，据官方统计，仅去年一年，中国的原油进口达1.5亿吨。按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可运用50年。可喜的是，随着科学技术的不断发展，人类发觉了核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等多种新型能源。在化石能源的局限性和环境爱护的压力下，世界上大部分国家加强了对这些绿色新型能源和可再生能源的发展支持。尤其是进入21世纪以来，世界各国对能源的需求越来越大。在德国、丹麦等国家可再生能源发电的装机已经达到较高的水平。为促进可再生能源的发展，各国不仅接着加大对可再生能源技术研发的投入，同时从立法和政策方面也都实行措施支持可再生能源的开发和利用，加快其发展步伐，使之成为实现能源多样化、应对气候变更和实现可持续发展的重要替代能源。我国高度重视可再生能源事业的发展,近年来更加大了对可再生能源发展的支持力度，包括国家科技资金投入、政府性工程与实惠政策制定等。尤其是中华人民共和国可再生能源法的颁布，有力地推动我国可再生能源发展的进程，进一步保障了我国发展循环经济概念和建设资源节约、环境友好型社会目标的实现。从能源供应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展的志向的绿色能源，同时太阳能也即将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能是从太阳向宇宙空间放射的电池福射能是太阳内部连绵不断的核聚变反应过程产生的能量，到达地球表面的太阳能为82*109万kH,能量密度为Ikw/m"左右。太阳能发电有热发电和光发电两种方式。太阳能以其分布广泛，取之不尽，用之不竭，又平安干净等优点，正渐渐成为人类志向的新-代可再生能源。是人类最终可以依匏的能源。1.2 光伏产业的现状和前景太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是干脆将太阳的光能转变为电能，多种发电方式中，光伏发电是主流。光伏发电是将照耀到太阳能电池上的光干脆变换成电能输出O太阳能光伏发电的发呈现状1839年法国物理学家贝克勒尔发觉光生伏打效应（光电效应的一种）。19世纪70年头持兹依据光伏效应利用固体硒材料制成了光伏电池。1973年全球石油危机爆发，导致能源价格大幅度上升，这引起了人们对光伏发电技术的深厚爱好川。之后，光伏发电技术起先渐渐被关注，各国政府和工业界的探讨机构投入了大量的人力、物力加强光伏发电技术方面的探讨和开发。太阳能光伏发电白20世纪80年头起发展快速，每年以30%到40$的速度迅猛增长I、为了激励太阳能技术的开发和利用，各国政府主动制定各种实惠政策来推动太阳能光伏发电的发展1996年，在美国能源部的支持下，美国政府起先了一项“光伏建筑物安排二投资20亿美元，1997年美国政府在全世界领先宣布发起“百万太阳能屋顶安排气。2002年，美国的光伏电池生产总量达到112.9MW,安排到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时。年可减排COZ351.1万吨，总计可增加就业7.15万人。该安排现已由加州施实。日本政府早在1974年就公布了'阳光安排"，1993年又提出“新阳光安排”，旨在推动太阳能探讨安排全面、长期地发展。日木相继颁布了系列激励包括太阳能在内的可再生球色能源探讨与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002年，日本的光伏电池生产总量已达到254.SMW,并且以世界最快的增长速度-48.6%增长，安排到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。德国政府是世界上域早和最主动提倡激励光伏应用的国家之、1990年，德国政府领先推出“1000太阳能屋顶安排”，1993年，德国首先起先实施由政府投资支持，被电力公司承认的100o屋顶安排,继而扩展为2001）屋顶安排，1998年德国政府进一步提出了10万光伏屋顶安排，同时探讨开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999年1月起起先实施“十万太阳能屋顶安排1.德国政府颁布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。此夕卜,意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的安排，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也己遍与几乎全部的用电领域。并且光伏集中发电、光伏建筑等发展快速，已渐渐成为市场主力。我国是世界上主要的能源生产和消费大国之，提高能源利用效率,调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以与化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注。经过十年的努力，我国的光伏产业技术也有很大的提高，光伏电池转换效率也提高了。单晶硅电池试验室效率达20%,批量生产率达14%,多晶硅试验室效率达12%,与发达国家的效率在不断减小。截至2007年10月，全国已建和在建的并网光伏发电工程共有30多个,胞装机容量达1OMW左右。2007年8月，国务院发布的可再生能源中长期发展规划更对并网光伏发电建设提出了明确的发展目标，到2010年，全国建成100O个展顶光伏发电项目，总容量为5万kW;到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量达到100万kW.到2010年，全国建成多处大型并网光伏电站,总容量为2万kW;到2020年，全国光伏电站总容量达到20万k1.VZ得益于近年来各方面对太阳能光伏产业发展的重视，目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用与快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产与应用技术已口趋成熟，尤其是从国内与全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶畦生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。但是与发达国家相比，我国无论在生产规模上，还是在自动化水平上仍旧有很大差距，面临着严峻的考验。光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更须要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。光伏发电产业的前景光伏发电有两种发电方式：独立发电,并网发电。由于太阳能发电成本较高,光伏发电多数被用偏远的无电地区，而且以户用与村庄用的中小系统居多，都属于独立型用户。但是近几年科技不断发展，光伏发电的不断改进，因此，光伏发电产业与其市场发生了极大的变更，起先由边远农村地区独立发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进.太阳能已经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是卜代“替代能源”O光伏并网应用所占比例ISJ并网发电(MI)光伏发电总计（八）光伏并网和光伏应用装机容量对比图光伏并网装机容量所占比例图1.1世界光伏应用领域年安装容量统计对比图1.3本文设计内容本论文主要通过学习光伏发电系统的发电原理以与系统结构和限制功能，对光伏发电进行全面JZ解。针对光伏发电系统以与光伏组件的探讨,建立相应合适的数学模型，运用Vat1.abs/r力.成软件仿真在不同环境不同温度下太阳能电池的输出特性和输出功率特性。其次，针对光伏发电的限制系统，探讨不同的限制方式和限制策略,建立对系统影响较大的系统限制模型。其次章光伏发电系统柢述1.1 光伏发电系统的基本工作原理光伏发电系统是利用半导体材料的光生伏特效应，将太阳辐射能干脆转化为电能的一种新型发电系统。所谓光生伏特效应“，就是指物体在吸取光能后，其内不能传导电流的我流子分布状态和浓度发生变更，由此产生出电流和电动势的效应。这种技术的关说元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装爱护可形成大面积的太阳电池组件，再协作上功率限制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有平安牢弊、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电与建设同期较短的优点。光能转换设备即光伏电池，是利用光生伏特效应把光能转换为电能的器件0目前光伏发电【程上广泛好用的光电转换器件主要是硅光伏电池,包括单晶硅、多晶硅，和非晶硅电池，其中单晶硅光伏电池的生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产。现以晶体硅为例描述光发电过程。如图2I所示，P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照耀光伏电池表面的时候，一部分光子被硅材料吸取：光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该外部电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生肯定的输出功率。1.2 光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统通常由太阳电池组件、蓄电池、限制器、逆变器、等几部分构成。光伏发电设备极为精炼,牢靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何须要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站，小到玩具,光伏电源其实无处不在。(!)太阳电池组件太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池，有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由太阳能电池组件按系统要求串、并联而成，它是太阳能光伏系统的核心部件。(2)蓄电池光伏发电系统中的储能设备。当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳能电池组件所需发电量时，将储存的电能释放以满意负载的能量需求。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸苗电池。(3)限制器整个光伏发电系统的核心限制部分。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和限制，并依据负载的电源需求限制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出。随着太阳能光伏产业的发展，传统的限制部分、逆变器以与监控系统集成的趋势。(4)逆变器逆变器有离网逆变器和并网逆变器，是将太阳能电池组件产生的直流或者蓄电池释放的直流电转换为负载须要的沟通电。通过全桥电路，殷采纳空间矢量脉宽调制(SPWM)处理器经过调制、滤波、升压等，得到与负载频率、额定电压等相匹配的正弦沟通电供电系统终端用户运用。2. 3光伏发电系统的分类光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统、光伏并网发电系统以与互补型光伏发电系统。不同类型的光伏发电系统特点和组成各不相同，应用场合和环境也有所差异，卜文若市介绍独立光伏发电和并网光伏发电系统.太阳能独立光伏发电系统独立的光伏发电系统是指在内部封闭电路内消耗光伏电力，不与电网连接，干脆向负载供电。主要应用于部队通信系统，卫星通信，铁路马路信号系统，气象、地震台站等偏远地区。鉴于我国边远山区多，独立光伏发电系统有着广袤的发展市场。独立光伏发电系统由太阳电池组件阵列、充放电限制器、逆变怒、落电池组等组成。与并网不同的是，为保证负载供电的连续性，独立光伏发电系统必需配置储能设备（芾电池组）。其具体的工作原理是：白天在太阳光的照耀下，光伏阵列将接收的太阳辐射能量（直流电流）通过限制器部分传送到逆变器转换成沟通电，部分经过充放电限制器以后以化学能的形式存储在蓄电池中。当太阳光不足时，存储在蓄电池中的能量经过逆变怒后变成方波或SPWM波,然后再经过港波和工频变压器升压后变成沟通220V、50HZ的正弦电源供应沟通负载运用。其运行结构框图如图2.2图2.2独立运行太阳能光伏发电系统结构框图独立光伏发电系统有其优点也有不足。优点是简洁、经济、敏捷、适用范围广泛：不足之处在于蓄电池的运用寿命远远小于光伏组件寿命，因此须要常常更换，而且用电牢鸵性差，管理限制分散，般用于用电量小，分散性大的用电负荷。太阳能并网光伏发电系统就是太阳电池阵列中的半导体材料在接收到太阳光辐射时产生的“光伏效应二将太阳光揭射能干脆转换为电能。无需蓄电池储能，干脆通过并网逆变器把电能送上电网运行。由电网进行管理限制，像一个发电厂连接到国家电网的发电方式，是电网的补充。其运行模式是在太阳辐射的条件下，光伏组件阵列输山地电能经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，经过DC/AC并网逆变器转换后并入电网。并网系统中PV方阵所产生的电力除了供应沟通负载外，多余的电力回馈给电网。在太阳光不足的时候，光伏组件产生的电能或者产生的电能不能满意负我需求是就由电网供电。光伏并网发电系统结构如图2.3所示。图2.3光伏并网发电系统结构框图11前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在:是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由此系统中逆变器配有主开关和重要负教开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷扶至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调整器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波聿量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不行询度式并网光伏发电系统，在此系统中,并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的沟通电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。现在，世界光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式，与离网太阳能发电相比，并网发电系统有其独特之处。首先它利用清洁干净的能源，而且是可再生能源，运用中不排放无污柒物和温室气体，有利于生态环境的和谐发展，符合可持续发展战略。其次，所发的多余电能馈入电网，把电网当作储能装置，省掉了蓄电池，比离网光伏发电在经济建设上削减r35%到45%的投资，大大降低r发电成本，更重要的是，省掉蓄电池之后，降低了系统平均故障时间，也杜绝广蓄电池的二次污染.再者，光伏电池组件可以与建筑物完备结合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料，是物质资源充分利用，发挥r多种功能C分布式的建设，就地分散供电，进入和退出电网敏捷自如，既增加了电力系统抵挡斗争和自然灾难的实力，又改善r电力系统的符合平衡。不足之处就是只有在晴朗的白天才能比较稔定供应电力，旦没有了日照，就会导致发电量下降，干扰电网。互补型光伏发电系统风/光互补光伏发电系统由光伏电池阵列、风力发电机、限制器、逆变器、蓄电池组、耗能负载箱、支架等组成。太阳能和风能在时间和地域上有很强的互补性。白天太阳光强的时候，风小，晚上太阳落山后，光照弱，但由于地表温差大而风加强。在季节上，风光也有同样的互补效果。而且，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风/光互补型发电系统结构如图2.4所示。其具体工作原理：风力发电机经整流后与太阳电池组件产生的直流电流通过限制器部分传送到逆变器转化成沟通电，一部分对蓄电池充电：当风力小阳光不足或夜间的时候，蓄电池通过直流限制系统向逆变器送电，经逆变罂转化为沟通电供沟通负载运用。风力发电m一光伏电池阵列一交流员的3三电池组“图2.4风/光互扑发电系统给构图1第三章光伏发电系统建模与其仿真2.1 光伏电池阵列的建模2.1.1 光伏电池阵列的数学模型太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表示，电流、电压之间的关系又是通过其他一系列参变量来表示的。特殊是与太阳能电池表面的口照强度和电池温度等有关。志向的光伏电池等效电路如图3.1.由串并联电阻、二极管、光生电流源组成。/p1.是光生电流，当光照恒定时，由于光生电流不随光伏电池的【作状态而变更，因此可以等效为恒流源。在光伏电池的两端接上负载后，负载端电压反作用于P-N结上，产生与光生电流方向相反的电流/.串联等效电阻分表示电池中电流受到的阻碍作用，其数值取决于P-N结深度、半导体材料的纯度和接触电阻。申联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低;旁路电阻ASh与电池对地的泄漏电流成反比:光伏阵列的输出电压、电流关系式如卜丁(3-1)式中：为二极管的志向因子，玻尔兹曼常数k=1.38*10”*,t=1.6*10"C,为电子的电荷量；。为温度,偌和区为并联和申联电阻。由于光生电流乩与光伏电池的瞬间光照强度以成正比增加，并且当取298K(25)为温度零点时，pft随温度的增高将产生+0.氏的变更，由此可得：IPh=5.46×10-3Err(1+0.001(T-298)(3-2)假定6p-100Nwc11整个装置的温度比气温高出30C。得出装置温度表达式：T=KI+0.3ETPX1000(3-3)由以上式建立方程组，可得出光伏阵列的志向输出特性。依据光伏组件的等效电路建立5加"“从仿真模型，如图3.2(1)为光伏组件的封装模型图,TIoutRGrondPV图3.2(1)光伏电池封装模型图上图中T为电池温度，R为光照强度，VmIs分别为光伏阵列的输出电压和输出电流。这是光伏组件的通用封装模型，在模块内部输入不同的参数即可模拟出不同条件卜的IT和P-V特性。如图3.2(2)为光伏组件输出特性仿真模型图。图3.2(2)太阳能光伏组件仿真模型利用例T1.的环境对光伏电池的模型进行仿真,此时间强为100Mwc11i大气温度为25*Co如图3.3,曲线1为光伏阵列输出电压-电流特性的仿真结果，曲线2是光伏阵列的输出功率-电压特性仿真结果.图3.3光伏阵列的输出特性曲线2.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响(1)光照强度为100oW/m时，温度为25C时，仿真得到的光伏电池单元的输出特性如图3.4图3.4光伏电池未被遮挡时的输出特性当光伏电池被遮挡时，理论上，与光照强度干脆相关联的光生电流将明显卜降，从而光伏电池的短路电流也相应卜降。但其开路电压基本不变。输出功率会下降。仿真验证：光强为500Wm',温度为25©图3.4光伏电池单元未被遮挡和遮挡后的比较由图可以看出，光照强度卜.降了一半，短路电流也相应卜.降了半，而开路电压基本不变。由此可得出，当1个电池组件中的某个电池单元被遮挡，最干脆的影响是该电池的输出实力卜.降，表现为短路电流卜降。（2）从数学模型中可以看出光伏电池的输出特性也受到温度的影响，为了验证推理的正确性，在上图的仿真环境卜.，设定在相同光照条件卜.，变电电池温度，视察输出特性的变更，仿真结果如图3.5所示。图3.5相同光照下，不同温度光伏电池的输出特性太阳光光照强度模型光伏发电系统常年位于一个地方，光伏电池阵列所接收到的光照强度受各种外界因素的影响，如地理条件，天气变更地球纬度等。卜.文主要探讨和模拟固定地方一天内的光照强度的变更。一般来说，固定地方一天内的光照强度可视为满意肯定分布规律的随机变量。依据实际测验结果分析,一天内的光照强度变更曲线近似为正态分布曲线。举例来说，例如内蒙地区的光照强度在早上6：OO达到光伏发电系统工作的最低要求，而在下午13:0014:00达到一天光照强度最强，在傍晚5:30又降到光伏发电系统工作的最低要求。对于天内的光照强度可以模拟为：早上六点以分段的线性增长，此时系统起先运转，到下午13点到14点达到最大值，之后以分段的线性递减至5点半到最小值，此时整个系统停止运转。为了便利探讨，对各段加以肯定的函数，考虑干扰因素（阴影，云等），取方差0.001（标幺值）。依据阅历，最适合的分布类型应为BCta分布，这是一种在(0,1)之间的连续分布函数，其概率密度分布为%.一”T(IT)Z(3-4)其中创为正数，规则化因子血加是EU1.er的B函数，取值满意下式8(m,n)0,x-i(-x)ndx=盥空(3-5)其中(.)为ga刖Sa的函数，m,n的取值因地制宜，考虑到仿真的时候见雄确定，并且Beta分布序列生成较难，可采纳加以改进的正态分布代替Beta分布。确定了光照强度随机变量的分布，均值和方差，即可仿真，得到光照强度模型如图：图3.6内蒙古地区一天内光照强度变更曲线3. 2光伏发电系统的主电路模型主电路中，除电力电子器件外，还包括电阻，电感，电容，变压器等线性器件，这些涔件的模型较简洁，主电路的数学模型一半不须要用户建立,用户更多的是建立自己可视性的主电路图即可。光伏并网发电系统的主电路模型图3.7为光伏并网发电系统的结构示意图皿，整体结构由前级升压变换器，后级全桥变换器，负教R1.C,前后级限制器组成。光伏电池阵列输出的电能，经升压变换器升压并吸取最大功率后，利用全桥逆变器将直流电能转换为沟通电能馈入电网；另外，加上R1.C负载，模拟电力系统上的用户端等效负载，作为检测孤岛效应。图3.7光伏并网发电系统结构图了解并驾驭了主电路元器件模型后，即可搭建光伏发电系统的主电路模型,以并网单相光伏发电系统为例。如图3.8是单相光伏发电系统中逆变器的主电路模型图。<<<111tHg*='PutM0fMf图3.8单相光伏发电系统中逆变器主电路模型在S勿"/力乂中完成原理图搭建，并对全部的器件的参数进行合理设定,则完成了该光伏发电系统的主电路模型的建立。离网型光伏发电系统的主电路的模型离网型光伏发电系统-E电路图如卜.3.9：图3.9离网型光伏发电系统主电路图离M型光伏发电系统采纳恒乐跟踪CVT方式实现对太阳能电池的最大功率跟踪，可有效提高光伏电池的工作效率，同时也改善了整个系统的工作性能。由图可知，主电路拓扑结构为BUCK型变换器,利用脉冲宽度调整来限制主电路IGBT的占空比，以变更对背电池的充电电流，由此实现对太阳能电池的恒乐跟踪，使太阳能电池的输出功率接近最大功率。CVT跟踪方式的具体内容在卜文中会具体介绍。第四章光伏发电系统的限制技术3.1 光伏发电MPpT技术在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受环境和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯的最大功率点上。因此，对于光伏发电系统来说，应寻求光伏电池的最优状态，以最大限度地将光能转换为电能。利用限制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术。一般正常状况下，随温度和辐照度变更的光伏电池U-I和PI特性曲线分别如图4.1、4.2所示川。6101214161820电乐UV100T1>T2>T38060402002468101214161820电东皿图4.1相同辐照度而温度不同条件下的光伏电池特性1ao604020Md68101214161820电乐UVR1>R2>R368101214161820图4.2相同温度而不同辐照度条件下光伏电池特性明显.，光伏电池运行受外界环境温度、辐照度等因素的影响，呈非线性特征，因此数学模型很难精确的表示光伏电池特性。理论上，当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时，光伏电池输出功率最大。也就是说，如能通过限制实现对负载阻抗的实时调整，使其跟踪光伏电池的输出阻抗,就可以实现光伏电池的MPrr限制。传统的MPPT方法依据推断方法和准则的不同被分为开环和闭环两种t,开环MPPT方法主要基于一些比如光伏电池的最大功率点电压£晨与光伏电池的开路电压心之间的近似线性关系等理本的规律。此方法简便易行,却对光伏电池的输出有较强的依靠性，且效率较低。闭环MPPT是通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭环限制来实现，采纳最广泛的自寻优算法，典型的自寻优算法有扰动观测法和电导增量法，接下来本文主要介绍一下电导增量法4. 2电导增量法由图4.2可看出，正常光照条件下光伏电池的输出P-C特性仙线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，因此，在最大功率点处有喘=O(4-D因此最大功率点跟踪实质上就是搜寻满意dPdu=O的工作点，rtPu代替dPdU1,电导增量法的原理电导增量法是依据光伏电池输出功率随输出电压变更率而变更的规律动身的，进而推出了系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变更率之间的关系，后提出相应的MPPT方法。如图4.3所示,是光伏电池P-U特性曲线与dPdU变更特征，即在光强肯定的状况下仅存在一个最大功率点，且在最大功率点两边"/dU符号相反，而在最大功率点处dPdU=0.0.pdP/dU=0dP/dU>Q输端电压标幺值0.9图4.3光伏电池P-U特性的dP/M变更特征考虑光伏电池的瞬时输出功率为P=UI(4-2)将(2)式两边对光伏电池的输出电压求导，则竺=I+U曳dud(4-3)当dPdU=0时，光伏电池的输出功率达到最大。则可以推导出工作点位最大功率点时需满意史=(tuU(4-4)由以上推到可得山，运用电导增量法进行最大功率点跟踪时判据如下：Qd最大功率点左边M=W最大功率点(4-5)<4最大功率点右边图4.4为定步长电导增量法流程图，其中AU为每次系统调整工作点时固定的电压该变量(步长)，出”为下一点电压。通过计算出对其是否为零进行推断。其中左分支与上述分析相符合，右分支主要是为抑制当外部福射度发生突变时的误判而设置的。图4.4电导增量法流程图电导增豉法的优点是MPPT的限制稳定度高，当外部环境参数变更时，系统能平稳地追踪其变更，与光伏电池的特性与参数无关。缺点就在广其步长固定，追踪时间难以限制。电导增量法改进基于上文提到的电导增量法的缺点，为了提高电导增量法进行大功率跟踪时的快速性和精确性，我们采纳变步长改进电导增量法。下面简洁介绍两种变步长的电导增量法。其一是基光伏电池P-U特性曲线的变步长电导增量法。在离最大功率点较远的时候，步长可以适当增人，这样可以提高MPPT的追踪速度；而到了最大功率旁边区域时，跟踪的步长可以适当的减小，这样可以提高MPPT的精确度匕其二是基光伏电池C-I特性加线的变步长电导增量法的基本思路。由光伏电池U-I曲线可得出，类似恒流源和恒源的区域范围的比例较大，采纳电导增量法时，在恒流源的区域里可加大步长，在恒压源的区域里适当的减小步长，最终利用电导增量法判据推断是否已经到达最大功率点处,若满意判据，则停止扰动。须要设MPPT的步长SteP=AX琮使得步长随输出电压与最大功率点处电压距离的大小而变更。改进后的变步长的程序流程图如图4.5所示。图4.5改进后的梯度变步长流程图4.3最大功率限制技术仿真最大功率限制技术模型包括光伏阵列模型、MPPT模型、PWM脉宽调制模型、DC-DC变换器模型，光伏阵列模型在上章中已经学习过，接下来我们介绍下其它几种模型。VPPT模型中我们主要介绍电导增量法的仿真模型，如图4.6图4.6电导增量法的仿真模型PWM脉宽调制模型是基于MPPT模块的输出信号作为后级DC-DC电路开关器件的郸动信号，"RepeatingSeqUenCe”输出的三角波作为载波，与MPPT模块的输出信号作比较后，作为飞WitCh”的输入信号，飞WitCh”的输出PB!信号骄动DC-DC电路。其中，三角载波的频率确定PWM频率。如图4.7S0>pOut1.,口Scope1.图4.7P的脉宽调制仿真模块DC-DC变换器模型是通过渊整DC-DC中功率开关管限制信号的占空比,来获得光伏系统工作输出的最大功率点，进而实现MPPT限制。Boost电路是升压变换器，使得光伏阵列的配置比较敏捷，再通过适当的限制策略可以使Boost电路的输入电压波动较小，提高系统最大功率点跟踪的精度;还有就是Bo。St电路在结构上与网侧逆变器下桥瞥的功率管共同接地，驱动也相对比较简洁。BoOSt变换器结构如图4.8所示。图4.8BOOSt变换器结构图Uo其仿真模型如图4.9Teminat0f2<T>>-H111111-vinSeriesR1.CBranchc>mpp1IGBTDiode-VW<>VoutTermiratQfI图4.9B。S1.仿真模型图依据以上子模块的仿真模型，建立光伏电池的最大功率限制仿真模型,如图4.10图4.10MPPT限制仿真模型图在上图整个仿真模型中包含了PV模块、MPPT模块、PWM模块和DC/DC变换器模块。PY模块的输入是环境温度T和光照R，输出接口接的Bous1.变换器.而MPPT模块是在不停的检测光伏阵列的电压V和电流I,通过MPPT”算方法计算出输出给定电乐值V”,0PWM模块的作用就是将给定电压值%,和三角波信号进行比较，输出限制开关管的PW信号波，变更光伏阵列作电压，从而使光伏阵列工作在最大功率点旁边。当辐照强度为1阳小：环境温度为25C时，系统最大功率仿真结果如卜.4.11所示：（1）光伏阵列输出电压和电流的波形(1)光伏阵列的输出电压(2)光伏阵列的输出电流10000.010.030.050.070.090.1HR<S>45403530252015S51501005000.010.030.050.070.090.1.(3)BOOSt变换器输出电压(4)系统输入，输出功率比较图4.11最大功率跟踪仿真结果图为使得