基于Matlab-Simulink的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上題目：基于Matlab/ Simulink的三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真院系：姓名： 學(xué)號(hào)：導(dǎo)師： 目錄一、 背景與目的伴隨著傳統(tǒng)化石能源的緊缺，石油價(jià)格的飛漲以及生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，這些問題促使了可再生能源的開發(fā)利用。而太陽能光伏發(fā)電的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)以及市場(chǎng)開拓已經(jīng)成為令世界各國，特別是發(fā)達(dá)國家激烈競(jìng)爭(zhēng)的主要熱點(diǎn)。近年來世界太陽能發(fā)電一直保持著快速發(fā)展，九十年代后期世界光伏電池市場(chǎng)更是出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，進(jìn)一步促進(jìn)了發(fā)展速度。目前太陽能利用主要有光熱利用，光伏利用和光化學(xué)利用等三種主要形式，而光伏發(fā)電具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：1. 無污染：絕對(duì)零排放

2、沒有任何物質(zhì)及聲、光、電、磁、機(jī)械噪音等“排放”； 2. 可再生：資源無限，可直接輸出高質(zhì)量電能，具有理想的可持續(xù)發(fā)展屬性； 3. 資源的普遍性：基本上不受地域限制，只是地區(qū)之間是否豐富之分；4. 通用性、可存儲(chǔ)性：電能可以方便地通過輸電線路傳輸、使用和存儲(chǔ)；5. 分布式電力系統(tǒng)：將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的安全性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，它更具有明顯的意義；6. 資源、發(fā)電、用電同一地域：可望大幅度節(jié)省遠(yuǎn)程輸變電設(shè)備的投資費(fèi)用；7. 靈活、簡(jiǎn)單化：發(fā)電系統(tǒng)可按需要以模塊化集成，容量可大可小，擴(kuò)容方便，保持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)僅需要很少的維護(hù)，系統(tǒng)為組件，安裝快速化，沒有磨損、損壞的活動(dòng)部件；

3、 8. 光伏建筑集成（BIPV-Building Integrated Photovoltaic）：節(jié)省發(fā)電基地使用的土地面積和費(fèi)用，是目前國際上研究及發(fā)展的前沿，也是相關(guān)領(lǐng)域科技界最熱門的話題之一。我國是世界上主要的能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國之一，也是少數(shù)幾個(gè)以煤炭為主要能源的國家之一，提高能源利用效率，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源和可再生能源是實(shí)現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展在能源方面的重要選擇。隨著我國能源需求的不斷增長(zhǎng)，以及化石能源消耗帶來的環(huán)境污染的壓力不斷加劇，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到國家的重視和社會(huì)的關(guān)注。二、 實(shí)驗(yàn)原理1. 并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)空間及數(shù)學(xué)模型1.1 主電路拓?fù)鋱D1.1

4、所示為三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，idc1為直流輸入電源,C1為輸入直流母線濾波電容 , T1T6為三相逆變橋的6個(gè)IGBT開關(guān)管 , R1為濾波電感L1的內(nèi)阻和由每相橋臂上、下管互鎖死區(qū)所引起的電壓損失，R2為濾波電感L2的內(nèi)阻，L1、L2、C2組成三階LCL濾波器 。圖1.1 三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1.2 三相并網(wǎng)逆變器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型濾波器狀態(tài)空間模型的具體形式與所選狀態(tài)變量有關(guān)，為了建立采用LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，這里選擇L1的電感電流i1、電容c1的電壓uc。以及并網(wǎng)電感L2上的電流i2為狀態(tài)變量 ,在三相平衡的情況下根據(jù)PARK變換可得兩相同步

5、旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為:式中ud、uq、usd、usq為三相橋臂電壓與電網(wǎng)電壓的dq分量。根據(jù)式（1）所示的LCL濾波器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，旋轉(zhuǎn)3/2變換在系統(tǒng)的d軸和q軸之間引入了強(qiáng)耦合，d、q軸電流除受控制量ud均和uq影響外，還受耦合電壓L1i1q、-L1i1d、L2i1q、-L2i2d和耦合電流C2ucq、-C2ucd以及電網(wǎng)電壓usd、usq的影響。如果不對(duì)d軸和q軸進(jìn)行解耦控制 ，采用電流閉環(huán)控制時(shí)d軸和q軸的電流指令跟蹤效果不是很理想。1.3 基于電流雙環(huán)控制的原理分析基于并網(wǎng)電流單環(huán)PI控制無法使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 ,采用電感電流i1作為內(nèi)環(huán)電流反饋的電流雙環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)

6、定性沒有明顯的改善，但采用如圖1.3.1所示的電容電流ic作為內(nèi)環(huán)反饋的雙環(huán)控制，在選擇合適的內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)情況下完全能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖1.3.1 電感電流外環(huán)電容電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)框圖（3）式中；。將圖1.3.1等效變換為圖1.3.2所示的電流雙環(huán)控制系統(tǒng)等效圖,其參考信號(hào)為。圖1.3.2中，反饋通道的反饋信號(hào)由電容電流和并網(wǎng)電流及積分量分別乘以、3個(gè)常系數(shù)的總和形成。如果把電容電流和并網(wǎng)電流 及其積分量看成系統(tǒng)的3個(gè)狀態(tài)變量 ,則圖1.3.2是以為輸入量 , 以、組成狀態(tài)反饋增益矩陣的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)?？梢钥闯?，當(dāng)改變內(nèi)環(huán)控制參數(shù)時(shí) ，也同時(shí)改變了電容電流和并網(wǎng)電流及其積分量的反饋通道系數(shù)

7、、以及，因此導(dǎo)致電流雙環(huán)控制器無法通過改變、的數(shù)值將系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)配置到所希望的位置上 以滿足性能指標(biāo)要求 , 也是下一步采用高階極點(diǎn)配置的方法設(shè)計(jì)電流雙環(huán)控制器參數(shù)時(shí)需要解決的問題 。圖1.3.2 并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制系統(tǒng)等效框圖2. LCL型濾波器的原理LCL與L不同，它是三階模型，如果設(shè)計(jì)不好會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要分析LCL濾波器的整體模型。參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，除了要滿足網(wǎng)側(cè)電流諧波含量標(biāo)準(zhǔn)外，還要使逆變器側(cè)電流諧波和電容吸收無功功率小。圖2.2.1 單相LCL濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)針對(duì)單相LCL頻率特性進(jìn)行分析和研究圖2.2.1所示，是逆變器側(cè)輸出交流電壓，是電網(wǎng)側(cè)電壓，和分別為逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的

8、濾波電感，和分別為對(duì)應(yīng)電感的等效電阻，是濾波電容，是電容支路的電阻。相比于L濾波器，LCL濾波器多了和，電容支路對(duì)高頻紋波電流呈現(xiàn)低阻抗通路從而旁路高頻電流，電感抑制電流中的高頻紋波。逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電阻、相比于感抗、較小，可以忽略。圖2.2.1進(jìn)行拉普拉斯變換得到濾波器的結(jié)構(gòu)框圖如2.2.2。圖中看出，LCL濾波器中，逆變器側(cè)電感支路與網(wǎng)側(cè)電感支路和電容支路并聯(lián)電路串聯(lián)，求出濾波器的傳遞函數(shù)。圖2.2.2 LCL濾波器的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的串聯(lián)阻抗為：（2-1）逆變器側(cè)電流為，網(wǎng)側(cè)濾波電感和電容分流關(guān)系：（2-2）由逆變器側(cè)電流和公式（3-2）帶入可以得到網(wǎng)側(cè)電流：（2-3）由上式可以得出從逆變器側(cè)

9、電壓到網(wǎng)側(cè)電流的傳遞函數(shù)：（2-4）在電路濾波器設(shè)計(jì)的過程中，功率開關(guān)元器件的紋波是設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在給定紋波衰減率的條件下，可以由式（2-4）得出兩個(gè)電感和電容的約束關(guān)系。但是滿足上述關(guān)系的參數(shù)可以是多組的并不唯一這給LCL濾波器的設(shè)計(jì)增加了難度，需要分析LCL濾波器的運(yùn)行特性，找出電感和電容的約束條件。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1. LCL型濾波器設(shè)計(jì)1.1 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的約束條件（1）LCL 濾波器的電容將引起無功功率增加，從而降低功率因數(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)，一般限制電容吸收的無功功率低于額定功率的5%。（2）總電感值要小于，即，否則需要較高的直流電壓來保證電流的控制性，這將會(huì)增大功

10、率開關(guān)的損耗。（3）為了避免開關(guān)頻率附近的諧波激發(fā)LCL 諧振，諧振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)頻率，一般小于，但不能過小，否則低次諧波電流將通過LCL 濾波器得以放大。一般諧振頻率在十倍的基波頻率到開關(guān)頻率的一半之間。（4）需增設(shè)阻尼電阻防止諧振，但阻值不能太大，以免帶來過多的損耗，從而降低了效率。1.2 LCL濾波器參數(shù)計(jì)算(1)電感的計(jì)算： （3-1）U為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值，為諧波電流峰值，為開關(guān)頻率。(2)總電感值的約束條件： （3-2）其中為直流母線電壓，為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值，為相電流峰值,且 （3-3）(3)計(jì)算電容C可先確定諧振頻率，再根據(jù)公式： （3-4）計(jì)算得電容C的值；也可以取電容消耗的無功功

11、率為總功率的5%，利用約束條件：，其中，且其中E為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值，為基波頻率。(4)電容所串電阻 （3-5）有很多的限制條件，滿足有功功率和無功的控制要求，總結(jié)如下：（1）濾波電容吸收的無功盡量少；（2）逆變器側(cè)電流紋波盡量少；（3）諧振頻率避免與開關(guān)頻率及其倍數(shù)附近重合；（4）提高逆變器電壓對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流控制。1.3 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例選定直流母線電壓800V，電網(wǎng)電壓380V/50Hz，總功率100kW,開關(guān)頻率選定為5kHz,可得輸出相電流峰值為10A，令為逆變器側(cè)濾波電感，為網(wǎng)側(cè)濾波電感，為濾波電容，為單環(huán)控制策略中電容所串電阻。根據(jù)前面所述參數(shù)計(jì)算方法，可得到：總電感約束值：且

12、，又所以可取總電感為3mH，取又由于,且，可得，取?？傻弥C振頻率: 滿足約束條件: 進(jìn)而可得單環(huán)控制策略中電容所串電阻:2. 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1 網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)下圖是基于LCL濾波的三相并網(wǎng)逆變器原理圖所得系統(tǒng)線性控制模型：圖3.1.1 基于有源阻尼的線性系統(tǒng)控制計(jì)算PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)2得LCL濾波器的傳遞函數(shù)： （3-6）將逆變器等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié): 又的數(shù)值很小，忽略不計(jì)，則F(s)化簡(jiǎn)為： （3-7）進(jìn)而可得被控對(duì)象的傳遞函數(shù)： （3-8）且已知PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 其中=hT整定為II型系統(tǒng)后為： （3-9）且典型II型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （3-10

13、）其中，選定h，濾波器參數(shù)、C和的值，即可計(jì)算出K，然后可得即，且，電容所串電阻為： （3-11） 以上為理論計(jì)算方法，仿真過程中各參數(shù)還需要適當(dāng)調(diào)整，才能得到較好的濾波效果和穩(wěn)定的電壓電流波形。2.2 電容電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)由系統(tǒng)線性控制模型可得電容電流內(nèi)環(huán)控制對(duì)象傳遞函數(shù)為：由于的數(shù)量級(jí)在，忽略不計(jì)，控制對(duì)象可簡(jiǎn)化為：典型I型系統(tǒng)為：上述控制對(duì)象要整定為I型系統(tǒng)，可采用PI調(diào)節(jié)器：，且取為T和RC中較大的數(shù)，由于，取3,C=20uF，T為0.0002S，則取=RC，整定后的I型系統(tǒng)為：，又,且取KT=0.5時(shí)超調(diào)較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，計(jì)算可得的值，。2.3 控制器參數(shù)計(jì)算根據(jù)2.1節(jié)，可得

14、整定后的并網(wǎng)電感電流外環(huán)傳函為：且典型II型系統(tǒng)為： 其中，由于開關(guān)頻率為5KHz，則T=0.0002s，又取h=5時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)適中，此時(shí)： 可得：，即： ，又 ，可得：。根據(jù)2.2節(jié)，計(jì)算得電容電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)： 四、 實(shí)驗(yàn)仿真及分析為了驗(yàn)證本文所敘述的LCL濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法及所采用的電流雙環(huán)控制策略的可靠性，以及系統(tǒng)是否能達(dá)到所要求的穩(wěn)定性，第三章中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了仿真，根據(jù)上文中計(jì)算所得各參數(shù)，取濾波電感，濾波電容，電容所串電阻，并網(wǎng)電感電流外環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為,，濾波電容電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為，。 下圖是基于LCL濾波器的光伏三相并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制仿真電路：圖4.1 基于L

15、CL濾波器的光伏三相并網(wǎng)逆變器雙環(huán)控制仿真電路（1）有功功率和無功功率波形圖4.2有功和無功功率波形由圖4.2可知，系統(tǒng)的無功功率為0，有功功率穩(wěn)定在8000W，小于8000W是因?yàn)榇嬖谟泄β蕮p耗。（2）電網(wǎng)電壓波形圖4.3電網(wǎng)電壓波形由于都是三相并網(wǎng)，且電壓、頻率相同，電壓是已確定的，所以仿真所得電壓波形如上圖所示，仿真中設(shè)置A相初相位為0°，B、C兩相一次相差120°。（3）逆變器輸出電壓電流波形圖4.4逆變器輸出電壓電流波形由圖4.4可知,電壓電流同頻同相,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。（4）并網(wǎng)電流仿真波形（a）逆變器側(cè)的濾波電感上的電流波形（b）逆變器側(cè)的濾波電感上的

16、電流波形圖4.5 基于LCL型濾波器的逆變器并網(wǎng)電流波形并網(wǎng)電流仿真波形如圖4.5所示，上半部分為逆變器側(cè)的濾波電感上的電流，下半部分則為網(wǎng)側(cè)電感上的電流。從這并網(wǎng)電流仿真波形中我們可以看到，逆變器側(cè)電感電流紋波比網(wǎng)測(cè)電感電流紋波粗，這是由于網(wǎng)測(cè)電感電流是經(jīng)過了和兩個(gè)電感的濾波而得到的，逆變器側(cè)電感電流只經(jīng)過了一個(gè)電感的濾波，這樣網(wǎng)測(cè)電感電流中的諧波含量就比逆變器側(cè)電感電流的諧波含量低，的波形自然就比的波形細(xì)。同時(shí)也驗(yàn)證了LCL型濾波器的濾波效果比單一電感的濾波效果好這一觀點(diǎn)。（5）輸出電流波形圖4.6基于有源阻尼控制策略的仿真電流通過以上波形，可以看出基于LCL濾波器的光伏三相并網(wǎng)逆變器雙環(huán)

17、控制策略所得到的電流波形平滑，諧波成分更少，濾波效果更好。同時(shí)對(duì)仿真波形進(jìn)行了傅里葉分析，分析如下圖圖4.7 基于有源阻尼控制的仿真電流傅里葉分析通過以上仿真波形可以看出，網(wǎng)側(cè)電流的相位與電網(wǎng)電壓非常接近，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行，并且網(wǎng)側(cè)電流THD僅為0.10%，很好地抑制了入網(wǎng)電流的諧波含量，獲得了預(yù)期的電流輸出效果，證明控制策略以及濾波器參數(shù)計(jì)算均正確可行。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論本文采用了LCL濾波器取代傳統(tǒng)的單電感濾波，分析了逆變器的工作原理，以及基于LCL濾波器的三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型。由于引入了LCL濾波器，采用了一種電容電流和網(wǎng)側(cè)電流雙閉環(huán)的電流控制策略，通過平臺(tái)下建立相應(yīng)的仿真模型，進(jìn)行研究可得到如下結(jié)論：1.三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系中的逆變器一般數(shù)學(xué)模型交流側(cè)均為時(shí)變交流量，因而不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過坐標(biāo)變換將三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的 坐標(biāo)系，這樣，經(jīng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中基波正弦變量將轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，從而簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2.由于引入了LCL濾波器，并網(wǎng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)電流控制方法系統(tǒng)不穩(wěn)定，加入阻尼電阻后系統(tǒng)能變得穩(wěn)定，輸出電流含有較大的紋波，但同單電感濾波仿真波形相比紋