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。

　　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。

1 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(Photovoltaic Array, 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(Power 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。若以及分別表示太陽能輸出的電流及電壓，其關系可表示為：

　(1)

　(2)

(3)

(4)

　　其中，I_pv是太陽能輸出電流，I_sc是太陽能短路電流，V_oc是太陽能開路電壓，V_mp、I_mp是太陽能在最大功率點的電壓及電流，E_st是太陽能參考日照強度，α為太陽能電流溫度系數，β為太陽能電壓溫度系數。

　　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 鎖相回路模塊

　　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_dq0 transformation)、比例積分控制器(PI controller)以及積分器(Integrator)等模塊。

2 系統特性動態模擬

2.1 SimPowerSystems 模塊