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变负载下独立太阳能发电系统的动态特性分析

发布时间:2020-07-21 18:40:56 阅读: 来源:储罐厂家

摘要:本文对独立太阳能发电系统在负载变动下的动态特性进行了分析,整个系统包括太阳能发电系统、功率调节系统、三相变压器、感应电动机及静态负载等。通过建立整个系统组件的数学模型,利用MATLAB的SimPowerSystems模块建立整个系统的仿真模型,最后对该模型的动态特性进行模拟与分析。结果表明该运行模式下系统参数的变动在可接受范围内,并与实际运行情况基本一致,为太阳能发电系统的规划、运行提供重要参考。

本文引用地址:独立太阳能发电系统通过逆变器将直流转换为交流输出向外界供电,受环境因素的影响,太阳能发电系统极不稳定。为保证太阳能发电系统的稳定,对其控制策略的研究就显得尤为重要。文献[1]提出了一种新的最大功率追踪器控制策略,通过使用四象限的 PWM 转换器获得较好的最大功率追踪速度。文献[2]使用自适应神经模糊推理(ANFIS)模型,对试验数据的线性相关性进行分析。研究中使用短路电流和开路电压作为输出参数,模糊控制器利用ANFIS输出电压进行最大功率追踪来提高效率和降低纹波。文献[3]提出一种新型太阳能系统结构与最大功率追踪方法,该研究采用Fibonacci序列改善日照度不均匀情况。文献[4]对零电流转换器进行了研究,降低了太阳能发电系统在能量传输过程中的损失。文献[5]提出利用最小阶状态观测器控制方法,根据负载的变换控制太阳能功率以获得最小的频率误差,从而有效的减小频率误差并获得最大功率输出。文献[6]提出利用半桥式整流变频器,新的控制电路及新的变频器,以获得较高的频率和较低的纹波电压。文献[7]利用双层电压器控制太阳能发电的斜率,使电容快速吸收太阳光电的纹波,进而改变输出斜率。

本文主要对独立太阳能发电系统的动态特性进行了分析,通过利用MATLAB的Simulink模块来搭架太阳能发电系统的仿真模型,并对负载变动时系统的参数变化进行了模拟。研究结果对独立太阳能发电系统的规划、设计、运行及扩展提供了重要的参考资料。

1 独立太阳能发电系统

1.1 系统结构图

图1为独立太阳能发电系统的结构图,此系统包括一组光伏阵列(Photovoltaic Array, PV),一套功率调节系统(Power Conditioning System, PCS),一台三相感应电动机(Induction Motor),一台三相变压器(Power Transformer)和集总静态负载(Lumped Static Load)。

1.2 基本模块

1.2.1 太阳能模块

太阳能输出电压随环境温度和日照强度的变化而变化,所以最大功率也会随之改变。图2(a)为太阳能模块图,图2(b)为太阳能内部结构图,输入端为环境温度Ta,日照强度Ett,太阳能输出为直流电流,输出端为太阳能输出直流电压。若以及分别表示太阳能输出的电流及电压,其关系可表示为:

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,Ipv是太阳能输出电流,Isc是太阳能短路电流,Voc是太阳能开路电压,Vmp、Imp是太阳能在最大功率点的电压及电流,Est是太阳能参考日照强度,α为太阳能电流温度系数,β为太阳能电压温度系数。

图3是太阳能电池在固定环境温度下,当日照强度改变时,其输出电流与输出电压关系图。

1.2.2 升压转换器模块

太阳能输出电压后,先经过升压转换器将电压提升到某一个等级,其开关导通的周期由最大功率追踪器发出的信号控制。

图4(a)为升压转换器模块的图像,输入端为太阳能输出直流电压、及最大功率追踪器控制信号,输出端为开压后的直流电压。图4(b)为模块内部结构,此模块组包括开关元件IGBT、LC滤波器、二极管。

1.2.3 最大功率追踪器模块

当日照强度变化时,太阳能输出电压、功率也会随着改变,这时最大功率追踪器的作用在于使系统的输出功率为最大,不会因某些模块被遮蔽或其他因素,造成系统输出功率的降低。图5(a)为最大功率追踪模块图,输入端为太阳能输出功率,输出端为太阳能输出功率,输出端为PWM控制信号。图5(b)为模块内部结构,此模块包括功率采样器、积分器、PWM比较器等。

1.2.4 换流器模块

换流器主要作用是将输入的直流电压转换为50Hz的交流电压。图6为换流器模块图与内部结构图。输入端为直流电压以及闸极信号,输出端A、B、C三相电压。

1.2.5 锁相回路模块

图7(a)为锁相回路模块,输入端为参考系统的三相电压(Vref),以及太阳能发电系统的三相电压(Vabc),输出端为角度误差信号(sin),以及控制开关信号(com)。图7(b)为锁相回路模块内部结构图,包含三相对dq0轴转换器(abc_to_dq0 transformation)、比例积分控制器(PI controller)以及积分器(Integrator)等模块。

2 系统特性动态模拟

2.1 SimPowerSystems 模块

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