基于MatlabSimulink地三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)地仿真

1、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3實(shí)驗(yàn)原理31 .并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)空間及數(shù)學(xué)模型31.1 主電路拓?fù)?1.2 三相并網(wǎng)逆變器dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型41.3 基于電流雙環(huán)控制的原理分析52 .LCL型濾波器的原理6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1.2 LCL濾波器參數(shù)計(jì)算81.3 LCL濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)例92. 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)102.1 網(wǎng)側(cè)電感電流外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)102.2 電容電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計(jì)112.3 控制器參數(shù)計(jì)算124、 實(shí)驗(yàn)仿真及分析125、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論16背景

2、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)占：八、1. 無污染：絕對(duì)零排放-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

3、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；8. 光伏建筑集成(BIPV-BuildingIntegratedPhotovoltaic)：節(jié)省發(fā)電基地使用的土地面積和費(fèi)用，是目前國

4、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。實(shí)驗(yàn)原理為直流輸入電源，為輸入直的為濾波電感的內(nèi)內(nèi)阻和由每、圖1.1三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖圖1.1所示為三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中，流母線濾波電容，為三相逆變橋的6個(gè)IGBT開關(guān)管相橋臂上、下管互鎖死區(qū)所引起

5、的電壓損失，為濾波電感LCL濾波器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PARK變換可得兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)空間數(shù)學(xué)模型，這里選擇的電感電流、電容的電壓。以及并網(wǎng)電為狀態(tài)變量，在三相平衡的情況下根據(jù)感上的電流系下的狀態(tài)方程為X/ly41IF.1-4*二G1-G式中、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軸電流除受控制量均和影響外，還受耦合電壓、和耦合電流、以及電網(wǎng)電壓、的影響。如果不對(duì)d軸和

6、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)定性沒有明顯的改善，但采用如圖131所示的電容電流作為內(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Gi (s)Gc(s)Gi (s)G2(s)G3 (s)i 2k i2k1 G 1 (s)G 2 (s) G 2 (s)G 3 (s) G c (s)G 1 (s)1式中 Gi (s) i1 ； G2 (s)； Gc (S

7、) T K c ； G3(s)1補(bǔ)-r;Gi (s 廣 K p。S將圖1.3.1 等效變換為圖 132所示的電流雙環(huán)控制系統(tǒng)等效圖其參考信號(hào)為I； mKc (Kp Ki，s)l 到。圖 1.3.2中，反饋通道的反饋信號(hào)由電容電流I C和并網(wǎng)電流I 2及如果把電容電流I c和并網(wǎng)電流積分量分別乘以Kc、KcKp、KiKp3個(gè)常系數(shù)的總和形成。I2及其積分量看成系統(tǒng)的3個(gè)狀態(tài)變量，則圖132是以Ia為輸入量以Kc、KjKp組成狀態(tài)反饋增益矩陣的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)?？梢钥闯觯?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I c和并網(wǎng)電流I 2及其積分量的反饋通道系數(shù)Kc、KcKp以及 KiKp因此導(dǎo)致電流

8、雙環(huán)控制器無法通過改變Ki、Kp、Kc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132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。Lii-“Rii2r2L2RfQViVCf_si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，Vnia,b,c是逆變器側(cè)輸出父流電壓，

9、Vsiia,b,c是電網(wǎng)側(cè)電壓，Li和L2分別為逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的濾波電感，R和R2分別為對(duì)應(yīng)電感的等效電阻,cf是濾波電容，Rd是電容翁路覷麓麓咸南崢南版艘齷除第得敏轆嫩鼠觸函中增加了電流呈現(xiàn)低阻抗通路從而旁路高頻電流，電感L2抑制電流ii 2中的高頻紋波。逆變器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電阻Ri、R2相比于感抗LiL2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Li與網(wǎng)側(cè)電感支路L2和電容支路Cf并聯(lián)電路串聯(lián)，求出濾波器的傳遞函數(shù)。系統(tǒng)的串聯(lián)阻抗為X：圖2.2.2LCL濾波器的結(jié)構(gòu)框圖LiL2s3RfLiRfL2Cfs2LiL2s

10、X=sLixL2/Cf2L2cfsRfCfsi(2-1)逆變器側(cè)電流iii為iii叫，網(wǎng)側(cè)濾波電感和電容分流關(guān)系:XCfRfCtsiii2XL2由逆變器側(cè)電流Vri2XcdiiLzCfs'RfCfs'iiii和公式(3-2)帶入可以得到網(wǎng)側(cè)電流A'i2XL2Cfs2+R甩？靜Lil2cfs3*0IIilii2：+(RfLi總用9醫(yī))cYg(LigfL2)(2-2)-3)由上式可以得出從逆變器側(cè)電壓Vri到網(wǎng)側(cè)電流ii2的傳遞函數(shù):2RfCfsl(2-4)在電路濾波器設(shè)計(jì)的過程中LiLzCfs哦用t於元融僑的播影惠即十的主要依據(jù)難度，需要分析LCL濾波器的運(yùn)行特性，找出電

11、感和電容的約束條件實(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Cf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O.lpu即LLgO.1pu，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3es應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)頻率，一般小于0.5fres，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10f_fres_0.5fsw(4)需增設(shè)阻尼電

12、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Li的計(jì)算：(3-1)IswsipU為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值，isip為諧波電流峰值，fsw為開關(guān)頻率?？傠姼兄档募s束條件：Ude2-4Err|2L2ImW(32)其中Ude為直流母線電壓，Em為網(wǎng)側(cè)相電壓峰值，Im為相電流峰值，且（3）計(jì)算電容CUdeL(3-3)8ifsipsw1 L2 -fALiL2(3-4)7T1L2C計(jì)算得電容c的值；也可以取電容消耗的無功功率為總功率的件：C5%Cb，其中基波頻率。且Z_L其中.為網(wǎng)側(cè)線電壓有效值,WZhh5%，利用約束條Wb為(4)電容所串電阻Rd(3-

13、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：濾波電容吸收的無功盡量少；用逆變器側(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Li為逆變器側(cè)濾波電感，L2為網(wǎng)側(cè)濾波電感，Cf為濾波電容，Rd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：_062mH'8ifsipsw122.Ude4Em且l3.73mH，2Im0.又L1-2 &#

14、39;6fiswsip所以可取總電感為3mH，取口一L2-1.2mH1012HzLiL2c又由于Cb-1©zbb，且Zb-呂，C-5%Cb，可得Cf22uF,取20uF?？傻弥C振頻率滿足約束條件：10ff res0.5f sw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:11Rd3|進(jìn)而可得單環(huán)控制策略中電容所串電阻3亦fr2 .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)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):F(s)_sCRd'1份:+LiL2cs3Rd(LiL2N”S3-6)將逆變器等

15、效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)LLC又12的數(shù)值很小，忽略不計(jì)，則進(jìn)而可得被控對(duì)象的傳遞函數(shù):pwmpi樂碾(LiL2)s2Us1)F(s)化簡(jiǎn)為:F二J(Li-L2)sKpwmW1(s)Z(LiL2)s(Ts1)Wpi(3-7)(3-其中t =hT且已知PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:整定為II型系統(tǒng)后為：W-KK(s(3-9)pwmu-de"(S)s2(Ts1)(3-10)h+1即可計(jì)算出K，然后可(3-11)KLL其中“t2，選定h，濾波器參數(shù)匕、C和2的值，KKppiKim得即KP，且，電容所串電阻Rd為：11Rd3 2fr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，效果和穩(wěn)定才能得到較

16、好的濾波的電壓電流波形。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：Kpwm(Ts1)(LiCs2RCs1)金言甬由于LiC的數(shù)量級(jí)在109，忽略不計(jì)，控制對(duì)象可簡(jiǎn)化為：Kpwm(Ts1)(RCs1)典型I型系統(tǒng)為：Ks(Ts'1)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：T+Kpfis1)1S5C=20uF，T且取1為T和RC中較大的數(shù)，由于R'!5，取3為0.0002S，RCT，Jinwir則取1=RC，整定后的I型系統(tǒng)為：WI(S)_一KowmKP2.3 控制器參數(shù)計(jì)算根據(jù)2.1節(jié)，可得整定后的并網(wǎng)電感電流外環(huán)傳函為:Kpw

17、m9/(且典型II型系統(tǒng)為:KtsFWn(s)-2八h 1其中K=2 2s2仃s1),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)2hT適中，此時(shí):-3 106Li - L2 - 1 .2mHKUpwm _ de4002可得:KPi -0.2635,即：Kp= 0.2635,可得:Ki -27.12 。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):KpO.21K i 35四、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-L2-12mH，濾波PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為Ki

18、 35Matlab仿真，根據(jù)上文中計(jì)算所得各參數(shù)，取濾波電感電容Cf-20uF，電容所串電阻R3-，并網(wǎng)電感電流外環(huán)dKp-0.2635，濾波電容電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp,0.21,KI27.12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LCL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。

19、，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)的濾波電感口上的電流u波形(b)逆變器側(cè)的濾波電感L?上的電流此2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匕，下半部分則為網(wǎng)側(cè)電感2上的電流iL20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J和L2兩個(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)電感口的濾波，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，02的波形自然就比口的波形細(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)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n m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