變負載下獨立太陽能發電系統的動態特性分析

摘要：本文對獨立太陽能發電系統在負載變動下的動態特性進行了分析，整個系統包括太陽能發電系統、功率調節系統、三相變壓器、感應電動機及靜態負載等。通過建立整個系統組件的數學模型，利用MATLAB的SimPowerSystems模塊建立整個系統的仿真模型，最后對該模型的動態特性進行模擬與分析。結果表明該運行模式下系統參數的變動在可接受范圍內，并與實際運行情況基本一致，為太陽能發電系統的規劃、運行提供重要參考。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281890.htm

關鍵詞：太陽能發電系統；動態特性分析；功率調節系統；MATLAB仿真模型

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.014

任磊（1984-）男，碩士，研究方向：從事電力系統自動化、電力市場營銷工作。

獨立太陽能發電系統通過逆變器將直流轉換為交流輸出向外界供電，受環境因素的影響，太陽能發電系統極不穩定。為保證太陽能發電系統的穩定，對其控制策略的研究就顯得尤為重要。文獻[1]提出了一種新的最大功率追蹤器控制策略，通過使用四象限的PWM轉換器獲得較好的最大功率追蹤速度。文獻[2]使用自適應神經模糊推理（ANFIS）模型，對試驗數據的線性相關性進行分析。研究中使用短路電流和開路電壓作為輸出參數，模糊控制器利用ANFIS輸出電壓進行最大功率追蹤來提高效率和降低紋波。文獻[3]提出一種新型太陽能系統結構與最大功率追蹤方法，該研究采用Fibonacci序列改善日照度不均勻情況。文獻[4]對零電流轉換器進行了研究，降低了太陽能發電系統在能量傳輸過程中的損失。文獻[5]提出利用最小階狀態觀測器控制方法，根據負載的變換控制太陽能功率以獲得最小的頻率誤差，從而有效的減小頻率誤差并獲得最大功率輸出。文獻[6]提出利用半橋式整流變頻器，新的控制電路及新的變頻器，以獲得較高的頻率和較低的紋波電壓。文獻[7]利用雙層電壓器控制太陽能發電的斜率，使電容快速吸收太陽光電的紋波，進而改變輸出斜率。

本文主要對獨立太陽能發電系統的動態特性進行了分析，通過利用MATLAB的Simulink模塊來搭架太陽能發電系統的仿真模型，并對負載變動時系統的參數變化進行了模擬。研究結果對獨立太陽能發電系統的規劃、設計、運行及擴展提供了重要的參考資料。

獨立太陽能發電系統

1.1系統結構圖

圖1為獨立太陽能發電系統的結構圖，此系統包括一組光伏陣列（PhotovoltaicArray， PV），一套功率調節系統（Power Conditioning System，PCS），一臺三相感應電動機（Induction Motor），一臺三相變壓器（Po0wer Transformer）和集總靜態負載（Lumped Static Load）。

1.2基本模塊

1.2.1太陽能模塊

太陽能輸出電壓隨環境溫度和日照強度的變化而變化，所以最大功率也會隨之改變。圖2（a）為太陽能模塊圖，圖2（b）為太陽能內部結構圖，輸入端為環境溫度Ta，日照強度Ett，太陽能輸出為直流電流，輸出端為太陽能輸出直流電壓。若以I_pv及V_pv分別表示太陽能輸出的電流及電壓，其關系可表示為：

圖3是太陽能電池在固定環境溫度下，當日照強度改變時，其輸出電流與輸出電壓關系圖。

1.2.2升壓轉換器模塊

太陽能輸出電壓后，先經過升壓轉換器將電壓提升到某一個等級，其開關導通的周期由最大功率追蹤器發出的信號控制。

圖4（a）為升壓轉換器模塊的圖像，輸入端為太陽能輸出直流電壓、及最大功率追蹤器控制信號，輸出端為開壓后的直流電壓。圖4（b）為模塊內部結構，此模塊組包括開關元件IGBT、LC濾波器、二極管。

1.2.3最大功率追蹤器模塊

當日照強度變化時，太陽能輸出電壓、功率也會隨著改變，這時最大功率追蹤器的作用在于使系統的輸出功率為最大，不會因某些模塊被遮蔽或其他因素，造成系統輸出功率的降低。圖5（a）為最大功率追蹤模塊圖，輸入端為太陽能輸出功率，輸出端為太陽能輸出功率，輸出端為PWM控制信號。圖5（b）為模塊內部結構，此模塊包括功率采樣器、積分器、PWM比較器等。

1.2.4換流器模塊

換流器主要作用是將輸入的直流電壓轉換為50Hz的交流電壓。圖6為換流器模塊圖與內部結構圖。輸入端為直流電壓以及閘極信號，輸出端A、B、C三相電壓。

1.2.5鎖相同路模塊

圖7（a）為鎖相回路模塊，輸入端為參考系統的三相電壓（V_ref），以及太陽能發電系統的三相電壓（V_abc），輸出端為角度誤差信號（sin），以及控制開關信號（com）。圖7（b）為鎖相回路模塊內部結構圖，包含三相對dq0軸轉換器（abc_to_dqo transformation）、比例積分控制器（PI controller）以及積分器（Integrator）等模塊。

系統特性動態模擬

2.1 SimPowerSystems模塊

圖8為獨立太陽能發電系統的SimPowerSystems模塊結構圖，主要包括四部分：A部分為太陽能發電系統，B部分是PCS，C部分是靜態負載.D部分是電動機負載。

2.2模擬順序

圖9為負載變動模擬的順序圖。由圖可以看出負載順序加入，總的模擬時間是12s。圖10為系統發生故障模擬的順序圖。由圖可以看出負載的加入順序，10s時在220V匯流排發生三相短路故障，10.2s時故障排除，總模擬時間為14s。

2.3模擬結果

圖11為負載變動時模擬系統參數變動的情況。圖11（a）、11（b）為太陽能系統輸出電壓與升壓轉換器輸出電壓隨著負載的并入而降低。圖11（c）、11（d）、11（e）為太陽能系統輸出電流、升壓轉換器輸出電流及PCS的A相電流會隨著負載的并入而增加。圖11（f）、11（g）為太陽能輸出功率隨負載變動與日照度變化的變化。圖11（h）為PCS的電壓在10秒后因日照度降低、以及負載電流造成的壓降，導致明顯的電壓降。圖11（i）為PCS供應的實功率隨負載的并入而增加。

圖12為系統發生短路故障時模擬系統參數的變化情況，重點觀察故障發生時和故障排除后系統的響應。圖12（a）、12（b）為太陽能系統輸出電壓與升壓轉換器輸出電壓會隨著負載的并入而降低，故障發生時電壓降為零，故障排除后，因為日照度不足，電壓仍低于額定值。圖12（c）、12（d）、12（e）為太陽能系統輸出電流、升壓轉換器輸出電流、以及PCS的A相電流會隨著負載的并入而增加，故障發生時，電流明顯增加，故障排除后，恢復穩定。圖12（f）、12（g）為太陽能輸出功率會因為負載變動與日照度的變化而不同，故障時有明顯的下降，故障排除后很快恢復穩定，因為此時電壓較低，因此輸出功率也較低。圖12（h）顯示PCS的電壓響應隨著負載的并入而降低，故障發生時電壓降為零；故障排除后，因為日照度的不足，電壓仍低于額定電壓值。圖12（i）、12（j）顯示PCS供應的實功率與虛功率隨著負載的并入而增加，故障導致功率下降，排除后功率恢復到穩定。

結論

本文主要討論太陽能發電系統獨立運行時的動態特性。模擬結果顯示日照度充足時，隨著負載順序并入，太陽能發電系統輸出功率上升。當日照度不足時，端電壓會下降，特別是有電動機負載時，電壓會降得更低，并聯的靜態負載也會受到相當程度的影響。模擬結果也表明短路故障發生時，由于匯流排電壓急速下降時，導致所有系統組件都受到相當程度的影響，故障排除后都會恢復到穩定值。總的來說，太陽能發電系統在這種運行模式下的動態特性是合理的，并且與實際運行條件一致。本文的研究結果為太陽能發電系統的規劃、運行以及擴展提供了重要的依據。

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