变负载下独立太阳能发电系统的动态特性分析

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。

　　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，I_pv是太阳能输出电流，I_sc是太阳能短路电流，V_oc是太阳能开路电压，V_mp、I_mp是太阳能在最大功率点的电压及电流，E_st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(V_ref)，以及太阳能发电系统的三相电压(V_abc)，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