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光伏并网发电系统的建模与仿真

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光伏并网发电系统的建模与仿真

发布时间：2021-11-19T08:27:13.590Z 来源：《科学与技术》2021年6月18期 作者： 符贵军1 马春艳1

[导读] 论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上

符贵军1 马春艳1

1 湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院 十堰 442002

摘要：论文在分析光伏逆变系统发展现状与研究热点的基础上，探讨了光伏逆变系统的重要组成模块，对直接影响光伏逆变系统的工作效率以及工作状态的最大功率点跟[基金项目：湖北汽车工业学院大学生创新创业基金资助（DC2020033）；湖北省教育厅科学技术研究

项目（B2015122）]踪控制、光伏逆变器控制等技术进行了详细研究。研究一种基于Boost升压变换器的最大功率点跟踪（MPPT）控制策

略，并且将正弦脉冲宽度调制技术（SPWM）应用于逆变器控制。最后在Matlab/Simulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成

系统性的实验验证。

关键词：逆变系统；最大功率跟踪；正弦脉冲宽度调制技术

1 背景

随着经济社会的快速发展，能源消耗急剧增长，能源危机也引起了越来越多人的关注，能源危机在我国乃至世界都是一个长期而严重的问题，它对于经济的发展和环境的变化有着严重的影响。在多元化的不断推进下，能源耗量最大且污染环境的煤炭基本上早已经被后来

的石油所代替，且最近几年天然气的消耗同样是一个持续上升状态，对于清洁无污染能源的开发和利用相关问题的解决刻不容缓。因此深

入研究光伏并网发电系统，对于缓解能源危机、保护环境、维护社会稳定、促进经济的可持续发展等都具有深远而重大的理论和现实意

义。

2 系统总体方案设计

太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件、Boost升压斩波电路、MPPT控制及 DC/AC逆变控制器等组成。太阳能电池组件是利用半导体材料的电子特性实现光电转化，把多个相同规格的电池单体经过串并联组合起来就能得到太阳能电池板。Boost升压斩波可以调节光伏电

池输出电压，实现光伏电池的最大功率点跟踪。DC/AC逆变器控制器可以把太阳能电池板发出的直流电逆变成与电网电压同频同相的交流

电，然后并入电网。系统主电路如图1所示。

图1光伏并网发电系统主电路

3 光伏电池建模

光伏电池输出特性具有强烈的非线性，当外界环境温度不变、光照强度变化时，光伏电池短路电流与光强成正比，而开路电压随光强变化不大；当外界环境光照强度不变、温度变化时，对光伏电池的短路电流影响不大，随着温度的上升输出短路电流只是略有增加，但光伏电池的开路电压随温度的上升而下降。

图2光伏电池模型

在Matlab/simulink平台可搭建光伏电池的工程数学模型，如图2所示。其中S为光照强度，T为环境温度。设定标准条件

Sref=1000W/m2，Tref=25℃下的最大功率点电流Im=12A，最大功率点电压Vm=250V，开电压Voc=320V，短路电流Isc=15A，补偿系数

a=0.0025/℃，b=0.0005/(W/m2)，c=0.00288/℃，最大功率Pm为3000W。

4 基于Boost电路的MPPT建模

4.1 MPPT建模

最大功率点跟踪在DC/DC级，本文采用了较为典型的扰动观测法，其原理是周期性的扰动太阳能电池工作电压值，再比较其扰动前后的功率变化，若输出功率增加则表示扰动方向正确，可朝同一方向（△V）扰动；若输出功率减小则往相反方向(-△V)扰动。通过不断扰动

使阵列输出功率达到最大，然而即使跟踪已达最大功率点附近，扰动仍不停止，系统工作在动态平衡状态。在Simulink中建立扰动控制法的

仿真模型如图3所示。其中V、I为光伏电池的输出电压和电流。 图3 扰动观察法模型

4.2 Boost电路建模

Boost电路比较简单，由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便，仿真模型如图4所示。适当调节Boost电路的占空比即可使其输出电压达到逆变器所需的输入要求。

式中，其中D为占空比，即D=Ton/T。

图4 Boost电路模型

5 DC/AC逆变电路建模

逆变电路采用以绝缘栅单极性晶体管(IGBT)为主开关器件的单相全桥逆变电路，对4个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流为正弦波，并且与电网电压保持同频同相位。在Simulink中建立此逆变电路控制部分的仿真模型，图5为调制波产生模块。

图5调制波产生模块

逆变系统的控制部分采用经典的双闭环控制和SPWM调制产生4路pwm波信号，来驱动逆变器并网运行。其中的双闭环控制模块里，直流电压外环经过PI调节器来生产一个电流参考值，Ug经过一个锁相环得到一个正弦sinwt，再与前面的电流参考值相乘得到正弦波电流，再

与内环电流相减后通过PI调节器后，再加上一个电压前馈即可得到一个调制波，接着与载波信号进行比较，就可以输出4路pwm信号。

6 并网后波形分析

6.1并网电压电流曲线

图6是额定温度25℃和额定光照1000W/m2下最终并网的电压和电流，其电压幅值为310V左右，即有效值为220V，并且电压和电流同频同相：

图6并网电压电流同频同相曲线1

图7是改变光照强度，从600到800再到1000 W/m2（时间间隔为0.4s），所输出的最终并网的电压和电流，在0.4s和0.8s这2个时刻，随着光强突然增大，电压基本保持不变，其电压幅值都为310V左右，即有效值为220V；而交流电流的幅值增大了，所以可得出交流电流与光强

的变化成正相关，而交流电压基本上不随光强变化而变化，并且电压和电流始终同频同相：

图7 并网电压电流同频同相曲线2

图8改变温度，从25到50再到75℃，所输出的最终并网的电压和电流，在0.4s和0.8s这2个时刻，随着温度突然增大，电压基本保持不变，其电压幅值都为310V左右，即有效值为220V，交流电流幅值也没有变化，并且电压和电流始终同频同相：

图8并网电压电流同频同相曲线3

6.2电网侧有功无功曲线

图9为额定温度25℃和额定光照1000 W/m2下电网侧的有功功率和无功功率，除最开始有功功率有点波动外，后面都趋于3KW，相比于光伏电池的输出有功功率略微减小，这是因为从光伏到并网有一定的损耗，但是损耗极小，无功功率基本上为0，也正是所设计的功率值：

图9 电网侧有功和无功曲线1

图10是改变光照强度，从600到800再到1000 W/m2（时间间隔为0.4s），所输出的电网侧的有功功率和无功功率，在0.4s和0.8s这2个时刻，随着光强突然增大，有功功率也都明显增大，呈现阶梯状，无功功率会在光强突变点有很小的波动，总体基本上仍然为0：

图10电网侧有功和无功曲线2

7 结论

本文设计了单相光伏并网发电系统的主电路拓扑结构。DC/DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点；DC/AC逆变环节使输出电流与电网电压同频率，采用调制法得到逆变电路的pwm驱动信号能使逆变电路开关管易于控制。这种两级式电路克服了单级式结

构需要变压器、电压波动大的缺陷，最后在Matlab/Simulink软件环境下搭建了光伏逆变系统的整体模型，完成系统性的实验验证。

8 参考文献

[1] 傅望．光伏电池工程用数学模型研究[J]．电工技术学报，2011：26-10．

[2] 王志兵．单相光伏并网逆变器的研究[D]．江苏科技大学硕士学位论文，2012．

[3] 崔容强,喜文华,魏一康，等.太阳能光伏发电[J].太阳能学报，2004(4):72-76.

[4] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社，2006:129- 133.

[5] 王岩.光伏发电系统MPPT控制方法的研究[D].保定:华北电力大学，2007.

[6] 周阳．光伏发电系统中双模式逆变器控制策略研究[D]．华北电力大学硕士学位论文，2013．

[7] 刘俊杰．浅议太阳能光伏发电系统[J]．科技资讯，2009 (32)：75．

[8] 陈四雄，曾春保．兆瓦级光伏并网逆变器关键设计技术[J]．电力电子技术，2013(4)：64-66．

作者联系方式：电话181****1686，邮箱***************

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光伏并网逆变器建模和仿真研究概要

光伏并网逆变器建模和仿真研究概要

东南大学

硕士学位论文

光伏并网逆变器建模和仿真研究

姓名：唐金成

申请学位级别：硕士

专业：电机与电器

指导教师：林明耀

20080512

摘要

摘要

随着Ｉ：业技术的迅猛发展，能源问题越米越受到人们的重视。如何开发利用可再生资源以解决当前的能源危机成为一个热Ｉ’Ｊ话题。人们普遍认为在目前可知的、并且已经得到比较广泛利用的可再生能源中，技术含量最高、最有发展前途的是太刖能。太刖能利用的主流方向是光伏并网发电。在光伏并网发电系统中，并网逆变器为核心。因此，本文主要研究适用于光伏并网发电系统的逆变器。

论文首先描述了光伏电池的工作特性，研究了常见光伏阵列模型。在此基础上，在ＭＡＴＬＡＢ仿真环境Ｆ，开发了光伏阵列通片ｊ仿真模型，分析了光伏阵列最人功率点的跟踪控制方法，最终采用干扰观测法实现了光伏阵列的最大功率点跟踪。

论文详细分析了Ｄｃ／Ｄｃ变换电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电路的工作原理和ｒ作特性。光伏并网发电系统中主电路参数的选择对于系统能否正常工作、系统输出电流波形质量的好坏有着重要的作用。使＿｝｝ｊ舭ＴＬＡＢ中的ＰＯＷＥＲＳＹＳ

ＴＥＭＢＬＯＣＫＳＥＴＳ工具软件建立了ＤＣ／ＤＣ变换电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电路的动态模型．并进行了在开环和闭环谢种情况卜的仿真。

由ＤＣ／Ｄｃ变换电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电路两个部分通过ＤＣＩｉｎｋ连接组成光伏并网逆变器。通过对ＤＣ／ＤＣ变换电路的占空比调制实现了光伏阵列输出电压的控制，使光伏阵列运行在最大功率点。通过对ＤＣ／ＡＣ逆变电路的舣环控制，以取得与电网电压同步的正弦电流输出和直流母线侧电压的稳定，其中电流内环采用滞环电流跟踪控制，电压外环采用ＰＩ控制。最后，实验说明了仿真结果的止确性。

论文在给出孤岛效应危害的基础上，分析了目前常用的被动式、主动式孤岛检测方法，并采用并网电流幅值扰动法实现反孤岛效应。【关键词】：建模，仿真，光伏并网，是大功率点跟踪，电流滞环控制，反孤岛效应

基于ADPSS的光伏电站电磁暂态仿真建模研究

基于ADPSS的光伏电站电磁暂态仿真建模研究

基于ADPSS的光伏电站电磁暂态仿真建模研究

电磁暂态仿真建模是研究光伏电站并网运行特性的关键环节。论文基于全数字实时仿真装置ADPSS，建立了光伏电站的通用仿真模型。模型采用最大功率点跟踪策略对光伏阵列的输出功率进行控制，并采用双闭环控制策略对并网逆变器进行控制。基于该模型，对光照强度、环境温度发生变化的场景进行了模拟，仿真结果验证了模型的合理性和有效性。

标签：ADPSS; 光伏电站; 模型; 仿真

0 引言

光伏发电已经成为解决全球变暖、能源短缺和环境污染问题的一种主要方法，发展迅猛。随着越来越多的光伏电站接入电网，有必要利用电磁暂态仿真建模工具，建立光伏电站的仿真模型，进而深入分析它们的运行性能及其对电网的影响。目前，国内外在开展仿真建模时，主要采用MATLAB、PSCAD/EMTDC等软件[1-3]，而基于国内自主研发的仿真平台/软件来开展光伏电站建模研究的文献鲜见报道。

近年来，中国电力科学研究院开发的全数字实时仿真装置（advanced digital

power system simulator，ADPSS）在电力系统仿真技术上取得了一系列突破。论文基于ADPSS，对光伏电站的电磁暂态仿真建模开展研究，开发了相应的通用仿真模型。

1 基于ADPSS的光伏电站电磁暂态模型

在ADPSS中，將光伏电站模型封装在1个子电路中，该模型图符如图1所示。该子电路有1个电气连接端口，用于和外部电网的三相母线相连。需要说明的是，这个子电路可以被重复使用，若要对不同的光伏发电工程进行建模，只需拷贝这个子电路并修改相应的模型参数即可。

双击光伏电站子电路的图符，即可进入其内部电路的编辑页面，如图2所示。可见，这是一个单级式的光伏逆变系统，光伏阵列发出的直流电由逆变器变换成交流电，经过滤波、升压，然后送至公共电网。另外，依据功能划分清晰、模块耦合度低的原则，建立了4个自定义模块，包括：光伏阵列及最大功率点跟踪（Maximum power point tracking， MPPT）、逆变器控制、基准量设置和测量模块。这些模块实现了相应的控制、测量等功能。下面，对具体的模型开发情况进行介绍。

太阳能光伏并网系统的控制与仿真

太阳能光伏并网系统的控制与仿真

第３０卷第２期２０１４年２月电网与清洁能源ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙ黛■口圈

ＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙ

Ｖ０１．３０Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２０１４

文章编号：１６７４—３８１４（２０１４）０２－００８１—０７中图分类号：ＴＭ６１５

太阳能光伏并网系统的控制与仿真

巢睿祺，王杰

（上海交通大学电气工程系，上海２００２４０）文献标志码：Ａ

ＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＧｒｉｄ－—ＣｏｎｎｅｃｔｅｄＳｏｌａｒＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＳｙｓｔｅｍ

ＣＨＡＯＲｕｉｑｉ，ＷＡＮＧＪｉｅ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔ｝ｌｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ・ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＰＶ

ａｒｒａｙａｔｆｉｒｓｔ，ａｎｄｔｈｅｎＵＳｅＳＭａｆｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｔｏｂｕｉｌｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓ．ＴｈｅＢｏｏｓｔｃｉｒｃｕｉｔｉｓｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｔｈｅｄｕｔｙｒａｔｉｏｃｏｎｔｒｏｌｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｗｉｔｌｌｔＩｌｅｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅＰａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｍｏｄｕｌｅｉｎｔｈｅ

ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｂｅａｎｄｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅｓｙｓｔｅｍｓａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｓｔｈｅｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｃｈａｎｇｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｆｉｎａｌｌｙｖｅｌ诅ｅｓｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙａｎｄｃｏｒｌｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ＫＥＹＷＯ麟：Ｐｖａｒｒａｙ；ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；Ｂｏｏｓｔｃｉｒｃｕｉｔ；ＭＰＩｙＩ＇：ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｍｅｔｈｏｄ摘要：介绍光伏阵列的等效电路、数学模型，以及光伏电池的电气特性，在Ｍａｄａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下建立光伏发电系统的动态仿

基于Matlab／Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真

基于Matlab／Simulink的三相光伏发电并网系统的仿真

第２９卷第１０期　２０１３年１０月　电网与清洁能源　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　Ｃｌｅａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　蠲　—■　

Ｃｌｅａｎ　Ｅｎｅｒｇｙ　

Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２０１３　

文章编号：１６７４—３８１４（２０１３）１０—００５９—０７　中图分类号：ＴＭ７４３　

基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的三相光伏发电　

并网系统的仿真　

蒋拯　

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州　７３００５０）　文献标志码：Ａ　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｇｒｉｄ－Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　

ＪＩＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＶ　ａｒｒａｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔ－ａｍｐｅｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅ－　

ｒｉｓｔｉｃｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｉｓ，ｉｔ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　

ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ｍｏｄｅｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂｏｏｓｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ．Ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　

ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　

ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＶ　ａｒｒａｙｓ　ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｂｏｏｓｔ　ＤＣ—ＤＣ