1、光伏發電并網系統建模與仿真【摘要 】：為開展太陽能光伏發電并網系統的研究，本文通過電壓空間矢量脈寬調制SVPWM技術其諧波小、直流側電壓利用率高、算法簡單、等特點應用于光伏發電系統中的方法，能夠提高對光伏電池輸出直流電壓的利用，從而達到改善整個光伏發電系統的性能。【關鍵詞 】：光伏并網系統；SVPWM 技術1光伏并網發電系統結構三相光伏并網發電系統包括以下三個部分：光伏陣列模塊、逆變器、控制器和電網，圖 1是光伏并網發電系統結構圖，圖中光伏電池板接受太陽光照射，將太陽能轉換成直流電，經并網逆變器逆變為交流電與配電網絡并網運行。圖 1 光伏并網發電系統結構圖1.1.光伏電池數學模型光伏電池是光伏

2、電源的最小單元，通常將一系列小功率的光伏電池組成光伏組件，再根據功率等級通過串并聯形成光伏陣列、得到光伏電源。光伏電池的基本結構是能夠將光能轉換為電能的PN 結，圖2 顯示了其精確的等效模型，由光生電流源、二極管、串聯和并聯電阻組成。光伏電池產生的光生電流ph 與光照強度成正比，流經二極管的電流、Id隨著結電壓d 及逆向飽和電流sat 的不同而變化。圖 2 光伏電池的等效電路1/10相應的 U -I 特性為：q (U IRs )U IRsI I phId e AkT1（1.1 ）Rsh式中，玻爾茲曼常數k=1.38 ×10-23J/K； q=1.6 ×10-19C，為電子的

3、電荷量；T 為溫度； Rsh和Rs為并聯和串聯電阻 ;A 為二極管的理想因子,1A2，當光伏電池輸出高電壓時A=1，當光伏電池輸出低電壓時 A=2 ； I ph 和 I d 分別為光生電流和流過二極管的反向飽和漏電流， I ph 和 I d 是隨環境變化的量，需根據具體的光照強度和溫度確定。工程上光伏電池的應用模型通常只采用供應廠商提供的幾個重要參數，包括標準參數（光照強度 Sb1000W / m2 ，環境溫度 Tb25 C ） , I sc (光伏電池短路電流），I m （光伏電池最大功率點電流），Voc （光伏電池開路電壓）Vm （光伏電池最大功率點電壓）。根據以上參數，在工程精度的要求范

4、圍之內，建立工程應用的光伏電池數學模型，需要對表達式（ 2.1）做簡化，隨著外界環境的變化，推算出當前環境下（電池溫度為T ，光照強度為 S）的光伏電池參數I scc ， Vocc ， I mm ， Vmm ，并求得此時光伏電池的I-U 特性曲線。VS1SSrefVT TrefTI sccI scS(1VSrefa T )VoccVoc (1 cVT )In(e（ 1.2）bVS)I mmI mS(1VSrefa T )VmmVmm (1VVc T )In (eb S)1.2.光伏電池仿真模型根據光伏電池的數學模型，在Matlab/Simulink 中建立仿真模型。模擬光伏電池在不同光照強度下

5、的 ( Tb25 C ) I-U ， P-U 特性曲線和在不同溫度（ Sb1000W / m2 ）下的 I-U， P-U特性曲線。1.光伏電池在不同光照強度下的( Tb 25 C ) 的 simulink 仿真模型2/10圖 3 不同光照下的光伏電池模型仿真 I-U 、P-U 特性曲線圖圖 4 不同光照強度下光伏電池I-U 特性曲線圖 5 不同光照強度下光伏電池P-U 特性曲線3/102.光伏電池在不同溫度（Sb1000W / m2 ）下的 simulink 仿真模型，圖6 不同溫度下的光伏電池模型仿真 I-U 、P-U特性曲線圖 7 不同溫度下光伏電池I-U 特性曲線4/10圖 8 不同溫度

6、下光伏電池P-U 特性曲線仿真分析根據述特性曲線圖，可以得出光伏電池伏安特性具有明顯的非線性特點。光伏電池既不是恒流源，也不是恒壓源，也不能為負載提供任意大的功率，它是一種非線性的直流電源。2. SVPWM 技術空間矢量脈寬調制SVPWM 從電壓空間矢量的原理出發，實質是對三相正弦波中注入了零序分量的調制波進行規則采樣的一種變形的SPWM 技術 ,但 SVPWM 技術較 SPWM 技術具有更高的直流側電壓利用率，更低的開關頻率和更好的動態性能。圖9 三相橋式電壓型逆變器拓撲結構圖 9 為三相逆變橋拓撲結構，三相逆變橋的目的是按照一定的規律來控制三對橋臂晶體管的通斷，將直流側的電壓轉換為三相正弦

7、電壓輸出。如圖9 所示， 每相的上橋臂與下橋臂的開關動作相反，把上橋臂開關導通而下橋臂開關關斷狀態記為“1 ”，相反的，上橋臂開關關斷而下橋臂開關導通狀態記為“0 ”，因此，三相逆變電路一共有8 種開關組合，對應 8 種電壓的輸出狀態（基本電壓矢量）,可分別命名為 U 0 (000) 、 U 1 (001)、 U 2(010) 、U 3 (011)、 U 4 (100) 、 U 5 (101)、 U 6 (110) 、 U 7 (111) ，其中 U 0 、 U 7 成為零矢量，其余6個有效矢量成為非零矢量。非零矢量的幅值均為2U d / 3 ， 空間位置依次相差60°， 這 6個非

8、零矢量分別位于一個正六邊形的6 個頂點位置，將空間劃分為6 個扇區，而兩個零矢量位于原點 。5/10表 1 逆變器交流側電壓與開關狀態的關系表 1給出了逆變器交流側的輸出電壓與開關狀態的關系。由于逆變器輸出的電壓矢量只能是上面 8種離散的狀態，無法獲得連續電壓矢量的運行軌跡，所以利用這8種狀態的線性組合即可合成任意參考電壓矢量U ref ，來實現 SVPWM 信號的實時調制。一般分為以下三個步驟：（ 1）判斷參考電壓矢量 U ref 所在的扇區；（ 2）計算相鄰兩開關電壓矢量作用的時間；（ 3）根據開關矢量作用時間合成三相PWM 信號。2.1參考電壓矢量 U ref 所處扇區 N的判斷根據參考

9、電壓矢量U ref 所在的二維靜止坐標系軸和 軸的分量 U、 U來判斷 U ref所在扇區 N。U1U令： U23U U（3.1）U33UU若 U>0，則 A=1, 否則 A=0;若3UU若3UU>0, 則 B=1, 否則 B=0;>0, 則 C=1,否則 C=0。式中： A=sign （ U 1 ）； B=sign （ U 2 ）； C=sign （ U 3 ）。令 N=4C+2B+A ，通過 N取值不同值來判斷 U ref 所在扇區。表 2 N 與扇區的對應關系N315462扇區IIIIIIIVVVI6/102.2為了算出相鄰兩個矢量的分別作用為了算出相鄰兩個矢量的分別作

10、用時間T1 、 T2 ，我們定義：X3U Ts/ 2U dY(3U3U)Ts / 2U d（3.2）Z( 3U3U)Ts / 2U d對于不同的扇區，T1 、 T2 的作用時間按表3 取值， T1 、 T2 賦值后，還要對其進行飽和判斷。若 T1T2Ts / 2 ，取 T1T1 / (T1T2 ) gTs / 2 ， T2 T2 / (T1T2 )g Ts / 2 。表3 T1 、 T2 對應關系賦值表扇區號IIIIIIIVVVIT1-ZZX-X-YYT2XY-YZ-ZX2.3 根據開關矢量作用時間合成三相PWM 信號要合成三相 PWM 信號，首先要計算矢量切換點Ton1 、 Ton 2 、

11、Ton3 的值。Ta(TsT1T2)/2定義： TbTaT1TcTbT2則在不同的扇區內根據表4 矢量切換點 Ton1 、 Ton 2 、 Ton3 賦值表表4進行賦值，計算矢量切換點。扇區號IIIIIIIVVVITon1TaTbTcTcTbTaTon 2TbTaTaTbTcTcTon3TcTcTbTaTaTb得到矢量切換點后，可與三角載波進行比較，最終獲得6路脈沖送入三相逆變橋的控制輸入端。2.4SVPWM 仿真模型SVPWM 算法在 simulink 中搭建的仿真模塊如圖所示7/10圖 10 SVPWM 波生成模塊3. 光伏并網仿真3.1 三相光伏并網系統simulink 模型IabcUa

12、bc圖 11 光伏并網控制系統結構圖該系統結構中采用的是PQ 控制， PQ 控制是通過調節有功電流和無功電流使其跟蹤參考電流實現的。發電系統只向電網輸出有功功率，即Qref 為零，逆變器功率因數為1.0；在某些特殊情況下，并網系統也可以輸出無功功率，Qref 不為零。對d 軸、 q 軸電流采用PI調節，從而得到電壓的控制量，再通過坐標變換來進行SVPWM 控制逆變器進行并網。8/103.2 仿真模型三相光伏并網仿真模型如圖11 所示，仿真參數設置如下：電網電壓為380V ，頻率50Hz ，直流側母線電壓600V ，輸出有功功率參考值為14Kw ，無功功率參考值為0var。設置 d 軸參考電流值為30A ，q 軸參考電流值為0A 。圖 11 光伏并網simulink 模型電流仿真圖級分析圖 12 并網電流仿真圖（ a）9/10（ b）圖 13 電網電壓A 相電壓與并網A