基于MATLAB的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真

唐 杰，唐 杰，唐婷婷

（湖南邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程系，湖南 邵陽(yáng) 422000）

0 引言

隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，世界對(duì)能源的需求越來(lái)越多，各國(guó)在大力開發(fā)新能源。其中，光伏發(fā)電占有重要比例，在生活中也越來(lái)越重要[1～2]。一方面，太陽(yáng)能光伏發(fā)電規(guī)模的不斷增加，使得光伏發(fā)電的應(yīng)用前景越來(lái)越好。另一方面，電能變換技術(shù)的不斷發(fā)展使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電在當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)中的地位越來(lái)越高[3～4]。

我國(guó)正在大力發(fā)展光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，并取得了一定的成果。本文分析光伏陣列的數(shù)學(xué)模型以及工作原理。在電網(wǎng)平衡的情況下對(duì)逆變器采用PQ控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電壓與電網(wǎng)同步。在理論基礎(chǔ)上，通過(guò) MATLAB搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?，光伏陣列轉(zhuǎn)換得到的電壓值較低不能直接通過(guò)電能變換進(jìn)行并網(wǎng)，因此運(yùn)用升壓斬波電路對(duì)光伏陣列電壓進(jìn)行升壓并且使直流母線電壓穩(wěn)，讓逆變器對(duì)穩(wěn)定的直流母線電壓進(jìn)行電能變換，得到與電網(wǎng)同步的交流電。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

2.1 光伏陣列仿真模型

本文搭建的光伏陣列仿真采用的是光伏陣列通用數(shù)學(xué)模型，光伏陣列的作用是將太陽(yáng)的光照強(qiáng)度以及光照總時(shí)間轉(zhuǎn)換為電能，首先我們要知道任意太陽(yáng)光照射在陣列版上時(shí)太陽(yáng)電池的溫度Tc（OC），Tc=Ta+tcR。R表示太陽(yáng)總的輻射值，tc表示溫度系數(shù)。

其中，ε是所選的材料帶能；陣列的最大電流參考值為Im,ref，陣列的最大參考電壓值為Vm,ref，μVoc是對(duì)應(yīng)的電壓系數(shù)，μIsc是Isc的系數(shù)。

2.2 升壓斬波電路仿真

圖2為升壓斬波電路圖，由圖可知E為電源電壓，也是輸入電壓；升壓斬波電路的電感用L表示，電容用C表示，二極管用VD進(jìn)行表示，R為負(fù)載電阻。根據(jù)能量守恒原理可得到：

圖2 升壓斬波電路圖

式中：T為周期，ton為導(dǎo)通時(shí)間，toff為關(guān)斷關(guān)斷時(shí)間，I為電流值，Uo表示負(fù)載電壓及輸出電壓。

2.3 逆變器PQ控制策略仿真

把光陣列產(chǎn)生的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成電壓大小與電網(wǎng)電壓幅值大小相同相位相同以及波形相同的交流電，因此有相應(yīng)的控制策略控制逆變器。本文運(yùn)用傳統(tǒng)的PQ控制來(lái)控制逆變器，交流側(cè)電壓與電網(wǎng)同步達(dá)到并網(wǎng)要求。圖3位PQ控制的系統(tǒng)框圖，通過(guò)系統(tǒng)框圖我們可以得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定參考電流idref和iqref，對(duì)并網(wǎng)三相電流進(jìn)行dq變換得到id和iq兩個(gè)分量。

圖3 逆變器PQ控制模型

通過(guò)系統(tǒng)框圖可以得到逆變器的輸出電壓和功率為：

3 仿真結(jié)果分析

本文通過(guò)Matlab/Simulink設(shè)計(jì)完整的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示。仿真結(jié)果驗(yàn)證整個(gè)仿真的真確性。還有直流母線端的電壓仿真結(jié)果，驗(yàn)證光伏陣列模塊的可靠性，以及升壓斬波電路控制策略的穩(wěn)定性。光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下：電網(wǎng)電壓：380 V；并網(wǎng)頻率：50 Hz；直流端參考電壓：800 V；仿真步長(zhǎng)：5e-6 S。

圖4 并網(wǎng)測(cè)三相輸出電壓

圖5 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模

圖4為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)測(cè)三相電壓仿真結(jié)果，三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓與電網(wǎng)電壓幅值相等，頻率和相位相同，得到理想的輸出波形，因此驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖6為光伏陣列輸出的電壓經(jīng)過(guò)Boost電路后的直流測(cè)電壓仿真結(jié)果，每個(gè)時(shí)間段光伏板受到的光照強(qiáng)度大小是不相同的，轉(zhuǎn)換的電能也是不相同的，因此我們通過(guò)光伏陣列得到一個(gè)穩(wěn)定直流電壓，直流電壓再通換的電能也是不相同的，因此我們通過(guò)光伏陣列得到一個(gè)穩(wěn)定直流電壓，直流電壓再通過(guò)升壓斬波電路得到放大而穩(wěn)定的直流電壓，直流電壓參數(shù)穩(wěn)定在800V，驗(yàn)證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖6 直流側(cè)電壓

4 結(jié)論

本文搭建完整光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并驗(yàn)證了三相光伏并網(wǎng)逆變器的工作特性。仿真結(jié)果表明，逆變器交流側(cè)電壓與電網(wǎng)同步，驗(yàn)證仿真的正確性與穩(wěn)定性。本文給出了仿真模型的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及各個(gè)模塊的參數(shù)，本文采取的是比較通用的 PQ控制策略，還需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與研究，使得并網(wǎng)逆變器的控制技術(shù)進(jìn)一步完善。