光伏并网系统的仿真与小干扰稳定性分析

【摘要】：随着传统能源的逐步耗尽和环境污染的日益严重,太阳能以其储量丰富、能源清洁的特点受到越来越多的关注。作为太阳能发电的一种主要形式,光伏并网发电已成为国内外学者的一个重要研究方向。本文以三相光伏并网系统为研究对象,分析了光伏阵列的发电原理和电气特性并对其数学模型进行了仿真,同时针对其输出特性,研究了最大功率跟踪方法和光伏并网的控制策略,最后讨论了光伏系统并网对整个系统的小干扰稳定性影响,为工程应用提供了参考。主要研究内容如下: (1)研究了光伏阵列的发电原理和电气特性;运用MATLAB软件对光伏阵列进行了仿真;分析了光照强度和温度变化对光伏阵列伏安特性和输出特性的影响,并分别探讨了光伏阵列最大功率点处的电压和开路电压的比值λ与光照强度、温度的关系,得到这样的结论:λ受温度影响不大,当光照强度发生变化时,λ会在一个小范围内发生改变,光照强度越强,λ越大。 (2)光照强度和温度的变化会影响光伏阵列的功率输出。为了使光伏阵列输出功率始终最大,本文分析了恒定电压法、扰动观测法和增量导纳法这三种典型的最大功率跟踪方法的工作原理,并在光伏阵列仿真模型的基础上,利用MATLAB实现了恒定电压法和扰动观测法对光伏阵列最大功率的跟踪,并结合仿真结果对这两种方法进行了比较和分析。如果参考电压选取的比较得当,在光照强度和温度变化的情况下,恒定电压法总可以使光伏阵列的输出电压维持在最大功率点附近。如果跟踪步长选取的比较小,扰动观测法的跟踪精度也比较理想,但迭代次数较多。为了在保证光伏阵列的输出精度同时使得系统较快地实现跟踪目标,可以将这两种方法结合起来,采用恒定电压法为扰动跟踪法提供初值,同时减小扰动观测法的跟踪步长到理想的数量级。 (3)推导出一个典型的三相光伏并网系统模型,包括:光伏系统模型、配电网系统模型和阻感负荷、整流负荷两种负荷的模型。为了便于分析和控制,运用派克变换将参考坐标系变换到与abc坐标系同步旋转的dq坐标系上,并提出了相应的锁相环和电压、电流控制策略。仿真证明:锁相环能及时地追踪到电网的相角变化,使dq坐标系与abc坐标系基本保持同步。电流控制器能迅速地检测到参考值的变化,并及时地做出有效调整。电压控制环节的输出略有波动,但很快能趋于稳定。这三种控制策略基本上都能满足控制要求。 (4)对整个系统的线性化状态矩阵进行了特征值分析。分析结果证明,在上述的控制作用下,含阻感负荷和整流负荷的光伏并网系统的特征值均具有负实部,系统是小干扰稳定的。虽有一振荡模态的振荡频率属低频振荡范围,但是考虑到其阻尼比较大,该振荡模态依然具有较好的阻尼特性。 (5)为了确定状态变量和模态之间的关系,本文还分析了系统的参与矩阵。分析发现,含阻感负荷和整流负荷的光伏并网系统虽模态受状态变量的影响程度不同,但具有类似的特性:光伏系统和配电网系统、负荷系统的模态主要与其各自的控制方法和参数设置有关,彼此间影响不大。虽有一个配电网状态变量对光伏系统的衰减模态有较大影响,但考虑到这个模态的实部距虚轴很远,也不会使系统变得不稳定。 (6)分析了负荷距光伏系统的标准化距离、配电线路长度及X/R取不同值时,光伏并网系统中变化明显的特征值实部的变化趋势,得出了这三种参数取值不同,对含阻感负荷和整流负荷的系统来说,均不会使系统在受到小干扰时变得不稳定的结论。 【关键词】：光伏并网系统 最大功率跟踪 控制 小干扰稳定
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 光伏开发的必要性及优点11-13
• 1.2 全球光伏产业的发展特点13-14
• 1.3 国内外光伏并网发电的现状与发展14-17
• 1.3.1 国外现状与发展14-16
• 1.3.2 国内现状与发展16-17
• 1.4 光伏并网发电系统的技术概况17-20
• 1.4.1 光伏并网系统的结构17-18
• 1.4.2 最大功率跟踪18-19
• 1.4.3 光伏并网的影响及控制技术19-20
• 1.5 本文的主要研究内容20-22
• 第二章 光伏阵列与最大功率跟踪22-43
• 2.1 光伏阵列的数学模型与电气特性22-28
• 2.1.1 光伏阵列的数学模型22-23
• 2.1.2 光伏阵列的电气特性23-24
• 2.1.3 光伏阵列的仿真24-28
• 2.2 常用的最大功率跟踪方法28-33
• 2.2.1 恒定电压法29-30
• 2.2.2 扰动观测法30-31
• 2.2.3 导纳增量法31-33
• 2.3 最大功率跟踪方法的仿真33-41
• 2.3.1 恒定电压法33-37
• 2.3.2 扰动观测法37-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第三章 三相光伏并网发电系统的控制研究43-61
• 3.1 光伏并网系统的结构43-44
• 3.2 光伏并网系统的模型44-47
• 3.2.1 光伏系统模型44-45
• 3.2.2 配电网模型45-46
• 3.2.3 负荷模型46-47
• 3.3 坐标变换47-49
• 3.4 光伏并网系统的控制方法49-56
• 3.4.1 锁相环49-53
• 3.4.2 电流控制53-54
• 3.4.3 电压控制54-56
• 3.5 控制方法的实现56-60
• 3.5.1 锁相环的实现57-58
• 3.5.2 电流控制的实现58-59
• 3.5.3 电压控制的实现59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第四章 光伏并网系统的小干扰稳定性分析61-79
• 4.1 小干扰稳定性的分析方法61-64
• 4.1.1 理论基础61-63
• 4.1.2 特征值63
• 4.1.3 灵敏度63
• 4.1.4 参与因子63-64
• 4.2 光伏并网系统的线性化模型64-67
• 4.2.1 锁相环子系统的线性化模型64-65
• 4.2.2 变换器子系统的线性化模型65
• 4.2.3 配电网子系统的线性化模型65-66
• 4.2.4 负荷子系统的线性化模型66
• 4.2.5 光伏并网系统的线性化模型66-67
• 4.3 光伏并网系统的小干扰稳定性分析67-77
• 4.3.1 阻感负荷67-72
• 4.3.2 整流负荷72-77
• 4.4 本章小结77-79
• 第五章 总结与展望79-82
• 5.1 全文总结79-81
• 5.2 工作展望81-82
• 参考文献82-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间发表的学术论文88

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