2020光伏发电系统运行特性.docx

光伏发电系统运行特性光伏发电系统一般由光伏电池板、汇流箱、光伏逆变器及变压器构成，为追求光伏系统出力的最大化通常会按当地经纬度来选择适当安装角，或者配置相应的跟踪系统。最大功率跟踪（MPPT）是光伏的关键技术之一由于光伏系统的发电量主要取决于日照度、温度等气象因素，因此其输出特性呈典型的间歇波动性。储能技术在光伏发电规模化应用中的作用更加重要，相对于风力发电而言光伏功率输出的瞬间波动更为显著，具有同期性和互异性正常工作时间更短并要满足其在并网应用分布式发电、智能电网中的技术需求但离不开大规模储能技术的辅助1概述我国太阳能资源较为丰富根据用以衡量太阳能光照资源丰富程度的地区分类指数，可以划分为五类，其中五类地区全年日照时数约100O1400h辐射量在33504190MJ/m2相当于115140kg标准煤燃烧所发出的热量，主要包括四川、贵州两省此类区是我国太阳能资源最少的地区，四类地区，全年日照时数为14002200h，辐射量在41905020MJ/m2，相当于140170kg标准煤燃烧所发出的热量，主要是长江中下游福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源丰富"三类地区，全年日照时数为2200-3000h"辐射量在50205860MJ/m2相当于170200kg标准煤燃烧所发出的热量主要包括山东，河南'河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部'甘肃东南部、广东南部、福建南部'江苏北部和安徽北部等地，其中云南太阳能辐射资源十分丰富每年接收的太阳能相当于731亿吨标准煤，全省大部分地区的年日照时数为21002500h且全省石漠化土地面积约为288.14万hn如果将1.5%的石漠化荒地用于太阳能电站的建设云南光伏发电的规模容量可达到1800万kW以上，相当于一个三峡水电站的装机规模一、二*三类地区，年日照时数大于2200h是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2/3以上具有利用太阳能的良好条件。四，五类地区虽然太阳能资源条件较差但仍有一定的利用价值此外我国已规划装机容量位列亚洲第一的昆明石林太阳能光伏并网实验示范电站建设总规模为166MW，总投资为90亿元将于2015年全部建成，届时年发电量将达1.88亿kW-h年减排二氧化碳为17.54万吨，昆明石林太阳能光伏并网实验示范项目是在石笋、石芽大面积外露的喀斯特地貌特征的丘陵地区建设起的太阳能电站，有效利用石漠化土地5445亩S，是云南在石漠化荒地上探索利用太阳能发电的一次重大举措该电站在发电的同时还承担着一系列太阳能科研项目2光伏系统出力特性光伏发电系统的输出受到太阳辐照强度和天气因素的影响，其发电量的变化是一个非平稳的随机过程，光伏发电系统相对于大电网将是一个不可控源其发电随机性会对大电网造成冲击以2011年1月至2011年12月某地屋顶光伏电站发电数据和同期的气象数据为基础从影响光伏发电量的机理出发针对气象因子对历史发电量进行分析并结合太阳辐射强度、大气温度、季节和一些其他因素来分析了光伏系统出力曲线规律2.1光伏系统输出特性以我国某光伏电站为例，该电站采用230Wp的多晶硅电池组件438块SMC系列逆变器12台总功率为100kWp根据2011年1月至2011年12月期间该光伏电站所处地区的历史气象数据（数据信息主要包括日最高/最低气温天气现象如阴晴云雾、降水等，该地基本气候情况见表3-1）显示该地区有春、秋季短，夏、冬季长的特点虽然四季长短不同，但季节特征明显春季温暖湿润-夏季炎热多雨秋季凉爽干燥冬季寒冷少雨；年平均气温为17-18;冬夏气温变幅大盛夏极端最高气温可达40。C以上隆冬极端最低气温则为-IO;平均年降雨量在160Omm左右但年内降水分布不均匀，汛期46月雨量约占全年降水量的一半，发电量将以该地区屋顶光伏电站2011年1月至2011年12月间统计的每日发电数据和每小时发电数据为依据1亩=666.6行后同表3-1算例光伏电站地区基本气象情况参数某地基本气象情况1月2月3月4月5月6月了月8月9月10月11月12月平均温度/S.36.910.917.322.325.729228.824.619.413.37.8平均最高温度/8.610.414421.126.329.433.433.028.723.717.612.0极端最高温度/25,327.932.532.635.237.740.139.338.035.43L224.8平均最低温度/2.6448.114319.2?.725.825.621.616.310.14,7极端最低温度/-6.9-93-0.83.810.414.819.019.514.23,5-0,8-9.7平均降水量/mm74.0100.7175.6223.8243.8306.7144.0128.968.759756.84L5降水天数/日13.013.218.017.716.615.510.810.37.78.S797.8平均风速/(m/s)2.62.62.62.4Z22.12.22,22.7Z72.62.6在理想光照情况下，算例光伏系统输出特性曲线如图3-1所示实际情况下由于天气及季节变换以及一天当中的天气变化均会导致光伏系统输出呈现随机波动特性，k一 L _ r I r-L-L-I-L-I-J-L.1 I II时M图3-1理想光照情况下光伏系统出力曲线要研究光伏发电系统的输出特性，可基于统计学方法针对光伏电站历史运行数据从不同时间尺度或者空间角度进行统计与分析本节将以时间尺度的变化为例.分别以小时级'日、月'季为统计区间，进行光伏输出特性的分析研究1.小时级输出功率波动图3-2为2011年1月13日算例屋顶光伏电站实时功率图从图中可以看出当天光伏电站实时输出功率波动很大，其中一处比较明显的是发电功率由1100的17kW陡增到1200的44.85kW另一处是发电功率由1300的54.64kW跌至14:00的14.92kW参考当日天气情况在小雨的天气条件下太阳辐射强度变化会很明显，当地天气情况统计见表3-2光伏电站实时输出功率的明显变化表明一天之中的太阳辐射强度变化对光伏系统影响很大图3-22011年1月13日光伏电站实时功率图表3-22011年1月13日算例天气情况日期最高气温最低气温天气风向风力2011年1月13日62小雨北风微风2.日发电量波动同样，天气变化导致的太阳辐射强度变化也会影响光伏电站的日发电量图3-3选取的是同一月中相邻但天气情况不同的两天2月21日和2月22日的天气情况见表3-3，2月21日的日发电量为478.8kW-h而2月22日的日发电量为161.36kW-h明显少于2月21日的发电量，两天的温度情况相近日发电量的差别来源于天气变化导致的太阳辐射强度变化时间图3-32011年2月21日至22日光伏电站出力情况表3-32011年2月21日和22日某地天气情况三期最高气温最低气温天气风同风力2011年2月21日167C晴北风微风2011年2月22日ITC8多云南风微风图3-4所示是某地屋顶光伏电站2011年12月份每天的发电量"从图中可以直观地看出，不同天的日发电量不尽相同且波动范围较大日发电量最多的是12月9日发电量是485.99kW-h;日发电量最少的是12月29日，发电量是39.27kW-h结合表34的2011年12月某地天气情况，可以明显看出月内日发电量波动与天气变化的对应关系时间图3-42011年12月光伏电站日发电Si情况表3-42011年12月天气情况及对应日发电量曰期最高气温最低气温天气日发电量1kw-h2011/12/173f阴154.512011/12/2IOoC4。C睛291572011/12/313C5晴436.462011/12/4157T晴多云416.972011/12/514oC9t多云132.822011/12/616oCIl0C阴小雨208.252011/12/7117小雨52,122011/12/8104阴多云144.42011/12/9IOoC2弋晴485.992011/12/1082晴273.442011/12/11IOeC3qC晴449.012011/12/1212IT晴434.772011/12/1313因晴多云304.272011/12/14IFC6阵雨88.562011/12/15IlaC5小雨102.992011/12/169七2T晴35632011/12/179。C4£晴一多云305.62011/12/1893多云晴121.742011/12/19IleC4aC晴352.38（续）曰期最高气温最低气温天气日发电量1kWh2011/12/2013C7多云-阴229.222011/12/21115T阴68.182011/12/228。C3弋阵雨阴66332011/12/2310I0C晴345.262011/12/24IlaC2qC晴394.312011/12/2512。C2T哨364.742011/12/26IO9C6弋多云128,722011/12/27IlX7阴多云138.952011/12/28IleC7阴100.132011/12/299。C6T小雨阴39272011/12/3010因阴94.682011/12/315阴多云91.51对屋顶电站2011年全年的日发电量统计的结果如图3-5所示全年最大日发电量为616.94kW-h最小日发电量为OkW-Iv日发电量波动在全年的时间尺度内皆有体现，说明日发电量波动是光伏电站的普遍输出特性，图3-5屋顶电站2011年全年日发电量3.月输出功率波动图3-6所示是某地屋顶电站2011年月发电量统计，2011年发电量最高月份为7月份发电量为12093.94kW-h;发电量最低月份为2月份发电量为4230.19kW-h其他月份发电量见表3-5，表3-52011年每月发电量月份1月2月3月4月5月6月发电ALkW-h563L684230.199247.2410705.0911345.057376.14月份7月8月9月10月11月12月发电kWh12093.9411208.869910.239546.4310073.627173.92不同月份发电量变化明显部分相邻月份发电量也有一定差距，例如2月和3月相差5017.05kW-h这主要由于进入3月份气温上升较快6月和7月相差4717.8kW-h这主要是由于6月份降雨时间较长太阳辐射强度相比较弱，4.季节性输出功率波动性对某地屋顶电站发电量按季节统计的结果如图3-7所示2011年春季发电量为31297.38kW-h夏季发电量为30678.94kW-h秋季发电量为29530.28kW-h冬季发电量为17035.79kW-h，前三季发电量相差不大分别占全年发电量的29%、28%和27%.冬季发电量与前三季差距较大，仅占全年发电量的16%从统计结果来看光伏电站的发电量有一定的季节性变化3M图3-7某地2011年光伏电站季节性出力分布通过对某地屋顶光伏电站2011年1月至2011年12月间统计的历史发电数据进行分析，结合对气象数据和历史发电量进行对比分析后可得出以下结论：同一季节相同日类型且最高、最低气温相近的天气下太阳辐射强度基本相似发电量也基本相同；在同一季节相近温度下太阳辐射强度、日类型对光伏发电量有直接影响不同日类型的太阳辐射强度不同，对日发电量影响很大，阴天或多云天气下的发电量明显小于晴天的发电量；同一季节相同日类型情况下。气温的变化将对发电曲线的高度有影响低温对应的发电量小于高温对应的发电量；季节性因素对于光伏阵列发电量影响是非常清晰的这种影响源于太阳辐射强度的差异，发电量曲线随着辐射强度的变化而变化，季节性的发电量差异也比较大2.2光伏输出特性影响因素本节以某额定功率为100kWp光伏并网电站为例，分别从日类型、光照强度以及温度三个因素分别分析其对光伏系统输出特性的影响程度，数据采用某年8月的直流侧输出功率，并忽略夜间出力为零的时段即数据段为早08：00至晚2000采样时间间隔为IOmia1.日类型对输出功率的影响根据气象特点对日类型进行分类，如晴天'多云'阴天'雨天同一光伏电站。日类型不同时，光伏输出功率差距很大，如图3-8所示，对比两个连续但日类型不同的典型日发电曲线可知，每条曲线都存在"多峰多谷"，波动幅度也存在很大差异，无规律性可言，整体来看典型日的日发电功率都是从上午8点开始呈上升趋势，在13点到16点之间的某些时刻达到峰值然后开始下降，到20点达到低谷，1200到1600之间出力水平最高，但同时功率的波动性和随机性比其他任何时间段都显著有些时刻功率突然下降至接近0有些时刻上升达到额定功率值100kW。图3-9为不连续的三个典型日在相同日类型下的发电功率曲线。从图中可以看出，虽然日输出功率幅值不同，但发电曲线的变化规律相似图3-8不同日类型发电功率曲线时间2.太阳辐射强度对输出功率的影响太阳辐射强度指在单位时间内，垂直投射在地球某一单位面积上的太阳辐射能量，从物理意义上来说，太阳的辐射是导致太阳电池产生伏特效应的直接影响因素辐射强度的大小直接影响太阳电池的出力，图3-9相同日类型发电功率曲线图3-10为该光伏电站实测的日输出功率与辐射强度的对照曲线，从图中可以看出，太阳辐射强度曲线和光伏发电功率曲线的变化趋势基本一致发电功率会随辐射强度的波动同时刻出现波动从图3-10中还可以读出该日输出功率最大值出现在14:30对应的辐射强度为1145W/m?输出功率达到97.2kW-同时，对应辐射强度的较大波动在IOmin的采样间隔内-光伏电站直流侧输出功率最大波动幅度可达92.6kW（13101320的功率波动）约为最大输出功率的90%，图3-10日发电功率与太阳辐射强度对照曲线由于太阳辐射强度对光伏发电有直接影响因此可被用作光伏发电预测的重要技术指标，输出功率随辐射强度的变化曲线如图3-11所示，辐射强度越大输出功率越大。图3-11发电功率随太阳辐射强度变化关系3.温度对输出功率的影响大气温度的变化会对光伏发电系统发电功率产生一定影响历史发电功率数据映射出发电功率曲线形状与太阳辐射强度曲线相似，而相同日类型情况下，气温变化将会对映射曲线高度产生细微变化图3-12为光伏电站实测的日输出功率与大气温度的对照图。气温曲线的峰谷基本上对应着发电功率的峰谷，在相同日类型的情况下日平均温度越高，发电功率越大图3-13给出了光伏组件温度的日变化曲线，从图中可看出光伏组件温度从有功率发出开始一直爬升直到19:OO后发出功率快速减小至0与此同时组件温度也不再上升快速下降时间图3-12日输出功率与大气温度对照曲线-光伏组件出度-大（温度35X)252015IO07:0009:00 Il 0013:0015:0017:0019:0021:00时闻图3-13大气温度和光伏组件温度对照曲线3光伏系统数学建模目前常见的光伏并网发电系统，可分为可调度式光伏发电系统与不可调度式光伏发电系统两者配置如图3-14所示电站模型如图3-15所示相对于不可调度式光伏发电系统，可调度式并网光伏系统设置有储能装置可以实现不间断电源和有源滤波的功能并有益于电网调峰图3-14a为不可调度式光伏发电系统，光伏阵列经变流装置输出交流电通过主配电开关一部分供给本地交流负载另一部分通过变压装置送入交流电网图3-14b为可调度式光伏发电系统在光伏阵列连接变流器环节中接入蓄电池组，通过充放电控制实现不间断供电和滤波功能，可参与系统调峰。a）不可调度式光伏发电系统结构b）可Wl度式光伏发电系统结构图3-14光伏发电系统的两种结构图3-15a所示为单极型光伏电站光伏阵列馈线端接有DC/AC变流器并实现最大功率跟踪控制（MPPT）最后经滤波电感接变压器并入电网，这种拓扑结构简洁，易于实现，但对控制算法要求较高图3-15b所示为双极型光伏电站光伏阵列馈线端经DC/DC环节Boost升压后对光伏电源输出功率进行最大功率点跟踪（MPPT）控制，同时稳定并提升输出直流电压后经DC/AC逆变后接滤波电感连接变压器并入电网，这种接线方式是当今光伏电站的主流方式，其控制准确度较好，但是拓扑结构复杂，图3-15光伏电站模型3.1光伏阵列建模太阳电池可等效为图3-16所示电路其由电流源与并联电阻Rsh，串联电阻R"组成图中，/为太阳电池输出电流V为太阳电池输出电压，为光电流Q为二极管电流和+为分流电阻电流 j I 心'7 RSh根据图3-16电路，由基尔霍夫定律可得：/a（3-1）&替换二极管电流/d和分流电阻电流Ah可得：图3-16太阳电池等效电路/=卜PE-I-E(3-2)nkTcq&h式中，“为光电流，由照射于太阳电池表面的光照强度G与太阳电池表面温度鹿所决定，可由下式得出：Ac=mR*1+«T(?c-TcR)(3-3)式中TSCR为在额定光照GR与额定温度KR下(GR=IkWZm2鹿R=25)太JH电池的短路电流；参数S为在参考日照下的电流变化温度系数(A/。C)，式(3-2)中的/。为太阳电池二极管反向饱和电流，可由下於表示：，。=如二exDT(3-4)7R7或K成式中，/。r为额定温度下的太阳电池三极管反向饱和电流；g为电子电荷常数，通常为1.60eT9:K为波兹曼常数通常为1.38e-3；"为二极管影响因子如果为晶体硅太阳电池可设为1.3；eg为光伏电池禁带宽度以上常数均可由太阳电池制造商所提供的材料或者测量太阳电池/W曲线得出在实际建设的光伏发电系统中，由于单个太阳电池或组件的输出功率并不能满足实际需求，因此需将单个太阳电池或组件通过串并联形成阵列以满足设计需要这需要在上一节所建立的光伏电池模型的基础上，筒化等值建立光伏阵列整体模型，1.串联支路模型参数确定通常为获得最大的输出功率在选择构成阵列的太阳电池或组件时会选择模型参数一致的太阳电池或组件因此每个单体的电压与电流方程如下：xp”WV(=/+/J-/RM-/RF“VW，h(35)叫h(ph+/。)RSh-M"KhexpRsh版4%h)HG=&+抬'X-W“Eh(Ks+Ksh)(3-6)假若有M个太阳电池串联且在同样的光照强度下具有相同的输出特性则在串联电路中流过各个组件的电流/.等于总电流/其电压则为各个组件电压之和因此串联后电压方程为4dlexp史竺-P11+几一4V=(1+/-/hMR0-IMR-MnVWMlIih小rMIVth5iHexp1oRsh'7ph+lo1V=(/+/-JhRo-/凡-nVW$cuccth"s½h(3-8)因此串联后模型参数为JPH=%hWs=MR(3-9)?SH=MRSh"5=M"由此，其短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压分别为*=M腺(340)VM=爪2.并联支路模型参数确定假若有N个太阳电池并联，且在同样的光照强度下具有相同的输出特性则在并联电路中流过各个组件的电压Vi等于总电压v其电流则为各个组件电流之和因此并联后电流方程为(M+M)右7。庇迎XP:/=PhK+MN一发hW科(3-11)/pH÷)RSH-/=VnpVth/。RSHRSeXP勺曲皿缝n-Wrtj危+雁HRSPth(Rs+*sh)¢3-12)因此串联后模型参数为由此 其短路电流、开路电压'最大功率点电流和最大功率点电压分别为由于光伏阵列的W特性.为了使输出功率最大化必须进行最大功率跟踪(MPPT) 而BUCk直流变流器是实现MPPT功能的重要硬件环节且接入直流 变流器后会提高光伏发电系统的发电效率，1. BUCk直流变流器电路综上所述当阵列中有参数一致的太阳电池或组件串联M个并联N个时 其各个参数分别为在PSCAD中建立的光伏阵列通用仿真模型如图3-17所示3. 2 Buck直流变流器MRi图3-17光伏阵列仿真模型Buck直流变流器的原理图如图3-18所示图中Vin是输入电压通常为外部电源供电；Sl和S2是功率开关元件实际应用中Sl通常采用IGBT而S2采用大功率二极管；Vsw为SW点电压；l为电感电流Buck电路工作时Si与S2依次开通设S1的开通时间为70n其占空比用0表示；设S2的开通时间为TLff其占空比用Coff表示设Si和S2均为理想元件即其导通电阻为O且开关周期T为"n与TOff之和那么Buck电路会工作于电流连续工作模式且电感中的电流不会出现下降到零在一个开关周期7内，O7on内Sl开通，电流通过电感L开关Sl及电容对负载供电，此时SW点电压等于输入电压/电感电流按固定斜率上升可表示为：%(3-16)则有在Krff7时间内Sl关断，S2开通'电感中存储的能量释放给负载与电容此时SW点电压等于O电感中的电流会以固定斜率上升，其表示为3T导在一个周期内SW点的电压均值为v=DHn(3-18)由于SW点的电压包括有斩波电路的作用那么电感电流的改变值和输出电压可表示为：(3-19)M=VrI(-ort%ut=OVin(3-20)因此，改变0就能改变输出电压Vout的大小2.BUCk直流变流器参数设计一些文献指出电感值的选取应基于输出负载直流瞬态和纹波电压值的要求。假设电感的纹波电流A4=a/o，此时电感值应为1.=%_匕Ut(3-21)式中VoUt为Buck电路输出电压值；Vin为输入电压；为为开关频率；/out为电路满载时的输出电流电容值则应满足输出电压纹波的设计要求.则电容值应为C=三K0一22）式中，%为输出纹波大小；人为电感上的电流变换大小；K为开关周期，3.BUCk直流变流器的控制一个好的控制机制不仅包括稳定性和快速响应性还应包括控制准确度'体积成本、控制效率等因素常用的Buck电路控制方法可分为PWM，PFM和PWM/PFM混合控制模式PWM控制技术由于具控制简单、灵活和动态响应好的优点因此本书采用PWM控制技术3.3逆变器模型1.逆变器工作原理逆变的含义是把直流电变成交流电交流侧连接电源时为有源逆变交流侧连接负载时为无源逆变。以图3-19a单相逆变桥说明工作原理，当开关Si*S4闭合，S2、S3断开时负载电压Mo为正；当开关Si、S4断开S2、S3闭合时，负载电压"。为负，其波形如图3-19b所示这样直流电就变成交流电改变开关的切换频率就可改变输出交流电的频率"图3-19逆变电路及其波形2.逆变器数学模型（1）三相静止坐标系（abc）数学模型三相联网电压源逆变器的电路结构如图3-20所示在图3-20所示的三相联网电压源逆变器的电路结构中设D三相电动势ea'eb和e.对称稳定2）开关为理想元件-没有延时。3）滤波器L为线性的，K为等效电阻图3-20三相联网电压源逆变器的电路结构开关函数定义为见”0上桥臂导通下桥臂关断（EbC）¢3-23）,1上桥臂关断下桥臂导通324)在图3-20中当a相VTI导通VT4关断时开关函数&=1，UaN=Ud,；当a相VT4导通，VTl关断时开关函数Sa=OGn=0所以a相和N点的电压差为同理有则有逆变桥输出电流为UbN = SbUdc ' UCN = SC UdC(3-25)/ d = Sa' a + S/b + S" C(3-26)3-27)(3-28) 3-29)3-30)(3-31)采用基尔霍夫电压定律建立三相VSla相回路方程为dja1.市+Ria=(VaN+VNO)-Pa同理可得bc相方程为1.dr+K'b=(VbN+VNO-eb山e,1.df*我=(KN+VNO)-fc对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律得d"dc.CW=IdC-»1考虑主电路为同步发电机发出的三相三线平衡系统，故有|/+1+自=口IIa+ic=O联立式（3-23）式（3-31）式可得uno = - 3( 'a + Sb +Sc)(3-32)将式（3-26）式（3-29）代入式（3-30）式（3-32）可得三相逆变器在abc坐标系中的数学模型为心=S-Sa+Sb+ScU*Rja-ea.37a3小=产7.W5ba3bcdcbb（3-33）1.dw=§_乱+凡+ScVRi-Ed7，3加一ccddcCd,=id（Saia+Sbib+SCiC）由式（3-33）可以看出逆变器输出电流和直流电压及开关函数有关同时输出电流和其他两相开关函数有关（2）两相同步旋转坐标系（dq）数学模型三相逆变器的三相旋转坐标系（abc）的数学模型具有直观及逆变器结构清晰的特点但是，逆变器交流侧状态变量均随时间变化本节将通过dq变换将三相旋转坐标系（abc）的数学模型转变两相同步旋转坐标系数学模型将式（3-33）进行dq变换得旋转坐标系数学模型为1.did=SdWdc*Rid-e<j+sLiqd7Zd；=Sq"dc-R/q-Cq-（"4）Cd/='dc2（idSd+iqSq）从式（3-34）可知，逆变器开关函数存在变量乘积（iqSq、itjSd）因此需要线性化非线性因素。不计逆变器本身损耗，直流侧和交流侧应功率平衡即PaC=PdC（3-35）通过坐标变换得PaC=-Cd+-eqiq（3-36）22PdC=Mdc=«dcC："+,i（3-37）由式（3-35）式（,3-37）可得.-eti+fq¾Cdu+L22H化简得从式（3-38）可知需要线性化id'iq'“de之间非线性关系。定义新变量V令y=心。线性化逆变器输出电压的dq分量itu定义变量U、小飞令IVdW"deSd=Ccl-州/339）Vq=Cq-dcSq=Cq-Ea将V=嗫和式（3-39）代入式（3-38）、式（3-37）可得逆变器坐标系（dq）中改进的数学模型为1.did=-Rfd+sLiq-Vddr1.=-c"d-Kiq-Vq（“°）C需=2乙-（3edid+3eqiq）由式（3-40）可知，新变量V、Vd、Vq为一阶线性微分方程（3）三相逆变器的控制模型从逆变器dq模型可以看出，控制参数需要靠仿真或模型线性化来获取这在实际应用很困难所以本章通过应用双环控制来设计即电压外环和电流内环，外环控制直流电压，内环控制功率从式（3-40）可得1.djd=-Rid+SLiq+SdUdC-«:（341）1.=一Rq-GLiq+SqXdCq令Ud=SdUdC'Uq=SqUdC*eq、命都影响d'q轴电流，所1；将电压矢量分为3个分量如果令从式（3-41）可以看出Wd'«q'O）Liq'-a）Lid'I通过状态反馈解耦d轴和q轴电流，即Md-Wdl+I2+Wd3Mq=Mql+%2+%Hdl=CdMd2=-ZqMql=Cq“q2=Z,将上面关系式代入式（3-41）可修1.'+Rfd="d3导42)d/dt!+眉q=M从（3-42）式可以看出，电流状态反馈（«d2和砌2）实现dq轴电流解耦dq轴电流解耦使其电流能独立控制，提高逆变器动态性能两相同步旋转坐标系Gddq）p-4dq硬可李示为Q+¢3-43）qLLP+Riqq2（U<j+MqJq）="d<dc（3-44）式中，ed、eq分别表示电网电压的d'q轴分量；“d、“q分别表示联网逆变器交流侧电压的dq轴分量；id，%分别表示联网逆变器交流侧电流的d'q轴分量；P为微分算子设d、q坐标系中q轴与电网电压/重合，则电网电压d轴分量<=O从式（3-44）可以看出逆变器dq轴分量耦合通过前馈来解除耦合电流控制器为PI方程如下：Ud=KiP+*"（i-id）-sLiq+etj“=沪3（广-i）+oLi+e（345）qK+Sqqqq式中KiPKil分别表示比例环节增益和积分环节增益；广广分别表示id，iqdq的电流参考值将式（3-45）代入声（3-43）声"简得：id,一修。+，Lo出L均行F=j*L眉尹飞*（346）q投.*+?广qQ首先将电网侧三相电压和电流利用dq变换转换到旋转坐标系中，通过与参考值比较后，经过解耦的Pl控制分别有功功率和无功功率解耦的电流控制除了PI控制外，还包括电流状态反馈解耦合电网电压扰动的补偿，将这三个量合成起来作为dq轴电压输出"d'"q最后dq轴电压经过脉宽调制器控制输出控制信号控制联网逆变器，3.4单级型并网光伏发电系统单级型并网发电系统如图3-21所示，逆变器需完成升压、最大功率点跟踪，DC/AC变换和孤岛检测，其中多个光伏组件通过串联提高直流侧输出电压才能逆变至电网电压等级，但其通过并联可以提高光伏电池输出功率，经逆变后将交流电压通过工频变压器连接到电网上。图3-21单级型并网发电系统示意图虽然单级型并网发电系统控制复杂，而且系统设计灵活性也较差特别是工频并网变压器的引入使得造价偏高且在光照强度较弱时由于直流侧无DC/DC电路造成整体发电效率降低，但其直流侧采用大量太阳电池串并联并采用单级式三相并网逆变器结构拓扑结构固定，因此在大容量光伏电站建设中多采用此结构基于上述原理结合电磁暂态仿真软件PSCAD搭建了单级型并网光伏发电系统模型如图3-22所示其并网逆变侧采用双环控制内环电流外环电压光伏阵列与太阳电池参数与双级型相同其额定功率为250kW太阳电池参数然够si整,集翁吏见表3-6图3-22中变流器输出入端电容为12000F输出端电感为2mH;RLC滤波电路电阻值为5Q电感值为0.3H电容值为30F逆变器并网点电压为0.4kV光伏发电系统通过升压变电压器接入35kV电网，逆变器控制系统如图3-23所示，图3-23中逆变器控制外环分别为电压控制与无功功率控制内环采用电流控制，将MPPT控制器计算所得最大功率点电压作为外环电压参考值从而调节光伏阵列输出电压实现最大功率跟踪。逆变器调制方法采用SPWM调制与双级型光伏发电系统相同。3.5双级型并网光伏发电系统双级型并网光伏发电系统一般在第一级采用DC/DC变流器将太阳电池输出的直流电斩波成适合有源逆变的稳定直流电压第二级为全桥或半桥逆变电路，通常所用的DC/DC电路包括BoostBUCk等拓扑结构的变流器以及含有隔离变压器的推挽半桥和全桥结构的DC/DC变流器如图3-24所示。图3-24双级型并网发电系统示意图双级型并网光伏发电系统在其效率和设计灵活性上均高于单级式系统，且由直流变换和逆变由两部分完成，其控制算法相对简单，但受DC/DC器件的容量和成本的限制通常应用在直流电压较低、无大量电池板串并联的独立中小型光伏发电系统中，基于上述原理结合电磁暂态仿真软件PSCAD，搭建了双级型并网光伏发电系统模型如图3-25所示其并网逆变侧采用双环控制内环电流外环电压光伏阵列中串联光伏模块20个，并联20个，每个光伏模块由108个太阳电池串联而成4个光伏电池并联其额定功率为250kW-光伏电池参数见表3-6。串联电阻0.02并联电阻1000二极管影响因子L5光伏电池禁带宽度1.103eV二极管反向饱和电流le-9A光伏电池的短路电流25A电流变化温度系数0.0001图3-25中Buck输入端电容值为100OOF.电感值为0.01H;变流器输出入端电容为50000F输出端电感为0.6mH:RLC滤波电路电阻值为5C电感值为0.3H电容值为200FBuck电路低压侧电压为0.5kV逆变器并网点电压为0.4kV光伏发电系统通过升压变电压器接入35kV电网。Buck电路控制系统如图3-26所示将MPPT控制器计算所得最大功率点作为BUCk电路输入端参考电压，从而调节光伏阵列输出电压彩V，实现最大功率跟踪。逆变器采用双环控制如图3-27所示"SPwN图3-27逆变器控制系统图3-27中外环分别为直流侧电压控制与无功功率控制，内环采用电流控制逆变器调制方法采用SPWM调制其结构如图3-28所示4电力系统