離網(wǎng)系統(tǒng)原理及Matlab仿真

本文以離網(wǎng)光伏系統(tǒng)為研究對象，對離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中的光伏組件、控制器、逆變器、蓄電池組分別部分進行了Matlab建模與仿真。在建模過程中使用了實際工程的數(shù)據(jù)及參數(shù)。仿真結(jié)果和實際工程所測量的數(shù)據(jù)誤差較小，達到了實驗?zāi)康摹? 　　引言： 　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變器、控制器等電氣設(shè)備的技術(shù)日臻成熟。太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。同時，隨著多晶硅產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化，太陽能電池組件的價格從30-40元每峰瓦在短短幾年之內(nèi)降到4-5元每峰瓦。使得太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本大幅度降低，從而讓太陽能發(fā)電系統(tǒng)能夠大范圍的推廣使用成為可能。 　　近幾年，國家在解決無電地區(qū)用電工程中，大量使用了太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，讓西北邊遠的人民用上了清潔的太陽能。太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)點在于：可靠性好，在高海拔和環(huán)境惡劣地區(qū)使用。耐用性好，晶硅組件的壽命在20-25年左右。維護成本低，可無人值守。節(jié)能環(huán)保，太陽能取之不盡用之不竭，不產(chǎn)生任何溫室氣體排放。 　　1.離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 　　1.1 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 　　離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又稱為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由PV組件，MPPT充電控制器、離網(wǎng)逆變器以及負載組成。離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)多應(yīng)用于遠離大電網(wǎng)的區(qū)域，例如戈壁、沙灘、海島等地區(qū)。 　　1.1.1 PV組件特性 　　太陽能電池不同于常規(guī)電池，它是一種可認為是恒流源的電池，其輸出功率受光照、溫度等諸多因素的影響。 　　如圖1所示是太陽能電池的U-P曲線，由圖中曲線可見，當處于不同光照強度時，太陽能的最大功率點是不一致的，而決定PV組件最大功率的除了光照強度外，環(huán)境溫度也對其有著重要影響，但是考慮到每天的溫差不會太大，而光照強度卻變化比較劇烈，因此在研究太陽能電池的特性時一般只針對不同的光照強度進行研究。 圖1 PV組件的U-P曲線 　　1.1.2 MPPT原理 　　MPPT (Maximum Power Point Tracking)是指光伏發(fā)電系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽能電池的最大功率。 　　最大功率點跟蹤控制(MPPT)策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當前的阻抗情況來滿足最大功率輸出的要求，這樣即使光伏電池的結(jié)溫升高使得陣列的輸出功率減少，系統(tǒng)仍然可以運行在當前工況下的最佳狀態(tài)。 　　1.1.3 擾動觀測法原理 　　MPPT算法中以擾動觀測法最為直觀與有效。 　　擾動觀測法的原理圖如圖2所示。其原理是周期性地擾動太陽電池的工作電壓值（V +ΔV），再比較其擾動前后的功率變化，若輸出功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向(+ΔV)擾動；若輸出功率值減小，則往相反(-ΔV)方向擾動。通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大，然而，即使跟蹤己達到最大功率點附近，擾動仍然不停止，則系統(tǒng)工作于動態(tài)平衡狀態(tài)。算法流程示意圖如圖3所示。 圖3MPPT程序流程圖 　　擾動觀察法的最大優(yōu)點是，控制概念清晰、易于實現(xiàn)、算法簡單。但是，使用擾動觀察法工作時，陣列輸出功率在最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致部分功率損失，且初始值及跟蹤步長的給定對跟蹤精度和速度有較大影響。 　　1.1.4 離網(wǎng)逆變器 　　離網(wǎng)逆變器屬于無源型單相換流裝置，只能運行于逆變狀態(tài)，無法運行于整流狀態(tài)。 　　其主電路結(jié)構(gòu)與并網(wǎng)逆變器是完全一致的，只是控制方式以及輸入輸出端的連接對象不同。 　　離網(wǎng)逆變器（三相）的輸出應(yīng)為380V50/Hz的交流電。 　　1.1.5 DCDC控制器 　　DC/DC控制器為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能裝置，它的作用在于進行MPPT跟蹤以及為蓄電池充電，其電路拓撲一般BOOST電路，也屬于單相電力電子裝置，不能雙向運行。 　　1.1.6 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點介紹 圖5 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建模主電路 　　整個系統(tǒng)由PV組件、一臺DC/DC控制器、一臺離網(wǎng)逆變器、以及交流負載組成。負載容量由10kW到40kW可調(diào)。 　　設(shè)定系統(tǒng)： 　　0.3秒前，負載容量10kW，PV組件由DC/DC控制器對蓄電池充電，DC/DC通過MPPT使PV組件工作于最大功率點。由于PV組件容量為25kW，因為負載的供電其實只是由蓄電池提供，而且PV組件還將電能充入蓄電池中。如圖6、7、8所示為PV組件電壓MPPT跟蹤曲線、蓄電池SOC曲線以及離網(wǎng)逆變器輸出電壓電流波形。 　　0.3秒后，負載容量增至40kW，PV組件依然由DC/DC控制器對蓄電池充電，DC/DC通過MPPT使PV組件工作于最大功率點，但是由于負載容量增大，蓄電池SOC呈下降趨勢，而此時PV組件的出力保持不變。如圖6、10、11所示為PV組件電壓MPPT跟蹤曲線、蓄電池SOC曲線以及離網(wǎng)逆變器輸出電壓電流波形（輸出電流增大）。