本發(fā)明屬于新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于MATLAB微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電是解決能源可持續(xù)發(fā)展的方式之一，目前所使用的光伏發(fā)電的方式有獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠有效利用光能，而且還能靈活控制輸出功率以適應(yīng)用戶端的供電需求。因此，使用光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)的發(fā)電方式更受歡迎。但是，這種發(fā)電方式之所以沒有大量普及是因?yàn)樗€存在一些問題，其中最重要是微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，包括光伏微電網(wǎng)本身的穩(wěn)定性和微電網(wǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。有大量沒普及是因?yàn)樗€存在一些問題，其中最重要的是微電網(wǎng)的穩(wěn)定性問題，包括光伏微電網(wǎng)本身的穩(wěn)定性和微電網(wǎng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于MATLAB微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，該方法利用MATLAB/Simulink模塊設(shè)計(jì)整個(gè)光伏微電網(wǎng)(包括光伏電池、升壓變換器、逆變器)，其中對(duì)升壓變換器使用MPPT(Maximum power point tracking，最大功率點(diǎn)跟蹤)控制來達(dá)到最大功率跟蹤(實(shí)現(xiàn)有效利用光能的功能)，對(duì)逆變器利用PQ控制來控制輸出功率(實(shí)現(xiàn)靈活控制輸出功率的功能)；對(duì)整個(gè)光伏微電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過輸出功率波形來判斷光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其技術(shù)方案如下：

一種基于MATLAB微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，包括以下步驟：

步驟1：光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真

1.1光伏電池的建模；

1.2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型；

1.3基于升壓變換器的MPPT控制；

步驟2：光伏并網(wǎng)逆變器的建立

步驟3：光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模及仿真。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明利用光伏電池仿真模型建立了光伏陣列模型，并以此組建了整個(gè)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)模型。為使對(duì)DC-DC部分中太陽能光伏陣列輸出功率最大，首先對(duì)MPPT原理進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，最后在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下對(duì)MPPT控制進(jìn)行了建模和仿真；為使逆變器的輸出功率穩(wěn)定并且可控，首先對(duì)控制技術(shù)進(jìn)行了研究分析，并選定了PQ控制通過驗(yàn)證證明PQ的有效性。同時(shí)通過加入小信號(hào)干擾來觀察并分析其穩(wěn)定性，驗(yàn)證了其有效性。

附圖說明

圖1為光伏電池U-I特性曲線和P-V特性曲線圖，其中，圖1a為U-I特性曲線，圖1b為P-V特性曲線；

圖2為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為升壓變換器輸出功率和占空比的關(guān)系；

圖4為MPPT流程圖；

圖5為升壓變換器總圖；

圖6為(k)的仿真結(jié)果；

圖7為I(k)的仿真結(jié)果；

圖8為負(fù)載功率的仿真結(jié)果；

圖9為占空比；

圖10為沒有PQ控制的逆變器輸出的三相電壓波形；

圖11為在PQ控制下的逆變器輸出的三相電壓波形；

圖12為在PQ控制下的逆變器輸出的三相電流波形；

圖13為PQ控制有功功率波形圖；

圖14為PQ控制無功功率波形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

1光伏電池的建模

太陽能電池的基本特性可以用U-I圖來表示，太陽能電池的電流、電壓以及兩者之間的關(guān)系則是通過其他一系列參變量來表示的。在這些參變量中，考慮新疆南疆區(qū)域太陽能電池表面的日照強(qiáng)度和電池溫度是最為主要的。光伏陣列的輸出電壓、電流關(guān)系式如下：

考慮太陽輻射變化和溫度影響時(shí)，

其中：du＝-βdT-R_sdl，dT＝T_c-T_ref由以上式建立方程組，可得出光伏陣列的輸出特性。式中：A為二極管的理想因子，玻爾茲曼常數(shù)k＝1.38×10^-23J/K，q＝1.6×10^-19C，為電子的電荷量；θ為溫度，Rsh和Rs為并聯(lián)和串聯(lián)電阻。光伏電池選型參數(shù)表1所示。

表1光伏電池選型參數(shù)

從圖1U-I特性曲線可以看出，當(dāng)光伏電池電壓增大到一定程度時(shí)，電流會(huì)隨著電壓增大而減小。從P-V特性曲線可以看出，光伏電池的輸出功率隨著電壓的增大先上升，后下降，當(dāng)電壓在21V附近時(shí)得到最大功率。

當(dāng)光伏電池在運(yùn)行時(shí)受外界環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度等因素的共同影響時(shí)，光伏電池的特性將會(huì)呈非線性特征，因此數(shù)學(xué)模型很難精確的表示光伏電池特性。理論上，當(dāng)光伏電池的輸出阻抗和負(fù)載阻抗相等時(shí)，光伏電池輸出功率最大。也就是說，如能通過控制實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使其跟蹤光伏電池的輸出阻抗，就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT控制。

2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型

光伏微電網(wǎng)的主電路中，除了光伏電池之外，還有用MPPT控制的升壓變換器(DC-DC部分)，以及用PQ控制的三相逆變器(DC-AC部分)，這些部分共同組成了能夠與大電網(wǎng)并網(wǎng)的光伏微電網(wǎng)。圖2為本發(fā)明所使用的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其由光伏電池產(chǎn)生最初的電流，經(jīng)過升壓變換器后輸出最大功率，然后經(jīng)過逆變器將直流轉(zhuǎn)換成三相交流，最后并入電網(wǎng)和電網(wǎng)一起為用戶供電(用戶端等效為負(fù)載RLC)。

3基于升壓變換器的MPPT控制方法

升壓變換器電路簡(jiǎn)單、成本低。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，DC-DC變換器的核心為升壓變換器，該變換器采用全控型開關(guān)管T，在變換器輸入端串聯(lián)一個(gè)電感L，近似于電流源電路，輸出端并聯(lián)一個(gè)電容C，近似于電壓型負(fù)載。

在升壓變換器的電路中，占空比D是可以控制的變量，MPPT能夠通過控制變換器開關(guān)管的占空比D來改變系統(tǒng)的輸出電壓或電流大小，從而改變輸出功率。在這里，我們可以將升壓變換器和負(fù)載RL看作是一個(gè)阻抗，其阻抗變換關(guān)系如下式所示：

$R^{\′}=\frac{V_i}{I_i}=\frac{V_o*(1-D)}{I_o/(1-D)}=\frac{V_o}{I_o}*{(1-D)}^2=R_L*{(1-D)}^2$

其中：R為Boost電路等效輸入阻抗，D為開關(guān)占空比，R為負(fù)載阻抗，式中不考慮Boost電路的自身功率損耗。因此，通過不斷改變占空比，升壓變換器的輸出功率也會(huì)相應(yīng)改變，通過對(duì)升壓變換器的仿真，我們得到了占空比和功率的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，升壓變換器的輸出功率的確隨著占空比的改變而改變。當(dāng)占空比達(dá)到0.73左右時(shí)，輸出功率最大，為6000W左右。正是升壓變換器的這種特性，為MPPT中擾動(dòng)觀測(cè)法的擾動(dòng)提供了可能。

最大功率跟蹤方法本發(fā)明主要采用擾動(dòng)觀察法，所謂擾動(dòng)觀察法，就是檢測(cè)光伏電池輸出電壓、電流值，通過計(jì)算獲得光伏電池當(dāng)前的輸出功率P，比較前后兩個(gè)時(shí)刻的輸出功率，進(jìn)而確定參考電壓Uref的擾動(dòng)方向。如果ΔP＜0，表明參考電壓所加擾動(dòng)的方向錯(cuò)誤，需要對(duì)參考電壓的擾動(dòng)方向做出調(diào)整。若ΔP＞0，表明參考電壓所加擾動(dòng)的方向正確，從而繼續(xù)按原來的方向增加擾動(dòng)。擾動(dòng)觀察法的程序流程圖如圖3所示。

MPPT控制中最后輸出的為占空比，將占空比換算成PWM信號(hào)輸入到開關(guān)管中即可實(shí)現(xiàn)控制。將MPPT應(yīng)用于升壓變換器后得到光伏系統(tǒng)的DC-DC部分，輸入?yún)?shù)(PV等效電壓為10V，PV等效內(nèi)阻為10Ω，負(fù)載阻抗為1000Ω，步長為0.001后，得到U(k)、I(k)仿真結(jié)果如圖5，占空比仿真結(jié)果如圖6，負(fù)載功率的仿真結(jié)果如圖7。

電壓和電流在前面一小段快速上升是因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)正從初始狀態(tài)(電感中儲(chǔ)存的電流為0，電容中儲(chǔ)存的電壓也為0)走向穩(wěn)定狀態(tài)(電感和電容的電能充放達(dá)到平衡)；后面平緩上升便是MPPT控制的作用，即通過不斷擾動(dòng)電壓使功率不斷上升，此時(shí)電流也隨著電壓一起上升；最后電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定是因?yàn)榇藭r(shí)已經(jīng)達(dá)到了最大功率點(diǎn)。

占空比隨著擾動(dòng)逐漸增加，由于步長是確定的，因此占空比每次擾動(dòng)的值是相同的，所以可以看到占空比成階梯狀“一步一步”上升。當(dāng)占空比達(dá)到0.73左右時(shí)，由于功率達(dá)到了最大，因此占空比不再上升，而是在附近徘徊。此時(shí)，系統(tǒng)便處于最大功率點(diǎn)。將圖8和圖9一起看，可以看出隨著MPPT沿著步長不斷增加占空比，功率不斷增加，最終使得功率達(dá)到最大值，這里的最大值是6000W，同之前測(cè)得的相符，因此的確達(dá)到了最大值。PPT控制使得系統(tǒng)能夠達(dá)到最大功率點(diǎn)，因此MPPT控制達(dá)到了所需的功能。

4光伏并網(wǎng)逆變器的建立

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)要與電網(wǎng)穩(wěn)定相連，就要能夠控制其逆變電路輸出穩(wěn)定的高質(zhì)量正弦波交流電，因此逆變器極其控制部分的建立是光伏發(fā)電系統(tǒng)DC-AC部分的重點(diǎn)，也是整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的重點(diǎn)。

根據(jù)上文，我們已經(jīng)知道逆變器的整個(gè)結(jié)構(gòu)：直流環(huán)節(jié)經(jīng)三相逆變器并網(wǎng)，而逆變器輸出端的電壓以及電流頻率由逆變器的控制策略決定，電壓的幅值由逆變器輸入端直流電壓和逆變器控制策略共同決定。因此，對(duì)逆變器控制策略的設(shè)計(jì)非常重要。常用的控制方法有PQ控制，VF控制和下垂控制。本發(fā)明將主要使用PQ控制來控制逆變器的輸出。

PQ控制指的是逆變器輸出的有功功率P和無功功率Q的大小可控，可以通過改變有功功率和無功功率的設(shè)定值來改變逆變器輸出的有功功率P和無功功率Q。PQ控制框圖如圖10所示。在PQ控制中輸入P和Q的參考值后(這里的有功功率參考值在0s時(shí)設(shè)定為1000W，在0.3s時(shí)上升為3000W，無功功率參考值始終為0)，運(yùn)行基于PQ控制的三相逆變器，可以得到如下波形，其中逆變器的輸出電壓和電流波形如圖12所示(沒有PQ控制的逆變器輸出電壓波形如圖11所示)，逆變器輸出的有功功率如圖13所示，無功功率如圖14所示。

PQ控制改進(jìn)了逆變器的輸出波形。和圖11相比，在PQ控制下，逆變器的輸出波形有顯改善，即由原來的方形波，變成了現(xiàn)在的正弦波。

由圖13可以看到PQ控制確實(shí)起了調(diào)控和穩(wěn)定作用。一開始由于功率參考值設(shè)為了1000W，因此PQ便開始調(diào)控，使逆變器的功率不斷增大，在0.05s后達(dá)到了設(shè)定值并維持了穩(wěn)定。而在0.3秒的時(shí)候設(shè)定值上升到了3000W，因此PQ控制再次開始調(diào)控，在不到0.01s的時(shí)間內(nèi)，將逆變器輸出功率提高到了3000W并維持穩(wěn)定輸出。這里的時(shí)間之所以比第一次調(diào)控的時(shí)間短，是因?yàn)榈谝淮握{(diào)控時(shí)系統(tǒng)剛剛開始運(yùn)行，0.05s里面不僅包含了調(diào)控時(shí)間，還包含了整個(gè)系統(tǒng)從一開始運(yùn)行一直到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，因此時(shí)間較長。

由圖14可以看出，無功功率按照設(shè)定值的要求始終維持在0W的附近，但是在0s和0.3s時(shí)發(fā)生了兩次突變，那是因?yàn)槟孀兤鬏敵龉β矢淖兊慕Y(jié)果，即在0s時(shí)逆變器功率從0W開始向1000W上升，在0.3s時(shí)逆變器功率從1000W開始向3000W上升。當(dāng)逆變器輸出功率發(fā)生改變時(shí)，其內(nèi)部的電流會(huì)發(fā)生變化，電流的改變使得電感產(chǎn)生了無功功率，因此在這兩個(gè)時(shí)間里無功功率發(fā)生了突變。PQ控制改善了波形、控制了逆變器的輸出，實(shí)現(xiàn)了所需要的功能。

5光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模及仿真

了解并掌握了主電路各種元器件后，即可搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型，將上文所講到的光伏陣列、DC-DC部分以及DC-AC部分組建在一起，得到完整的光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，小信號(hào)模型的建立，小信號(hào)仿真參數(shù)如表2。

表2小信號(hào)仿真參數(shù)

多個(gè)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)作為分布式電源與大電網(wǎng)并網(wǎng)，同用戶組一起組成了整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)模型也體現(xiàn)了微電網(wǎng)設(shè)計(jì)的初衷——實(shí)現(xiàn)多種能源、本地及遠(yuǎn)程能源、多組能源共同為用戶組提供電能，并且在任何一個(gè)能源失效后其他能源能夠繼續(xù)供電，同時(shí)單個(gè)能源也能斷網(wǎng)獨(dú)立為某些用戶組供電，真正實(shí)現(xiàn)靈活智能供電，從而適應(yīng)各種供電環(huán)境。當(dāng)然本發(fā)明主要研究光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此這里只設(shè)置了三組光伏電源同大電網(wǎng)并網(wǎng)，來模擬整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程。

當(dāng)輸出功率達(dá)到既定值后平衡，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合IEEE 1547(響應(yīng)時(shí)間小于0.6s，頻率誤差小于0.3Hz，電壓誤差小于10％，相位誤差小于20°)的標(biāo)準(zhǔn)。

利用新疆南疆獨(dú)特光照自然環(huán)境建立了光伏陣列數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行了建模和仿真并以此組建了整個(gè)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)模型。用PQ策略對(duì)逆變器穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，使DC-DC部分中太陽能光伏陣列輸出功率最大。通過仿真實(shí)驗(yàn)，在t＝0.3s時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)電流和電壓能穩(wěn)定的保持同頻同相，太陽能光伏發(fā)電電池板輸出功率增加，逆變器的輸出功率穩(wěn)定并且可控。PQ控制通過驗(yàn)證證明PQ控制策略的有效性。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。