基于Matlab软件平台的光伏并网系统仿真实训.docx

绪论 新能源是 21 世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。随着世界经济的快速发展，对能源需求逐年增长，而地球上以石油和煤为主的矿物资源日渐枯竭，能源已成为制约各国经济发展的瓶颈。同时，随着化石燃料的燃烧，所产生的二氧化碳在大气中的浓度急剧增加，生态环境逐渐恶化，使地球逐渐变暖。随着人类社会的发展，改善生态环境的呼声越来越高，开发利用无污染的新能源，对促进社会文明与进步，发展经济，改善人民生活具有重大的意义。太阳能作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，在日常生活中受到了各国政府的重视，各国都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。太阳能并网发电系统通过把太阳能转化为电能，不经过蓄电池储能， 直接通过并网逆变器，把电能送上电网。太阳能并网发电代表了太阳能电源的发展方向，是 21 世纪最具吸引力的能源利用技术。光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题。随着光伏组件成本的下降，光伏发电的成本不断下降，预计到2013 年安装成本可降至 1.5 美元/Wp，电价成本为6 美分/(kWh)，光伏并网已经成为可能。并网型光伏系统逐步成为主流。18目录第一章 基于 Matlab 软件平台的光伏并网系统仿真实训错误！未定义书签。1.1 Matlab 软件介绍错误！未定义书签。1.2 光伏并网系统8第二章 光伏并网逆变器电路工作原理132.1 逆变器定义132.3 逆变器功能作用132.3.2 孤岛检测技术142.3.3 智能电量管理及系统状况监控系统14第三章 SG3525 芯片153.1 芯片特点153.2 管脚功能 管脚图163.3 结构设计 内部结构图17第四章 制图184.1 用 protel 绘制原理图184.2 根据原理图生成PCB 电路板图18第五章 焊接与调试195.1 电路前面板的设计195.2 调试结果20第六章 实训结论21第一章 基于Matlab 软件平台的光伏并网系统仿真实训1.1 、Matlab 软件介绍MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计 算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。时至今日，经过 Math Works 公司的不断完善，MATLAB 已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB 已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题基本功能可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据 使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优点,使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对，FORTRAN，C+，JAVA 的支持。可以直接调用 ,用户也可以将自己编写的实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用 MATLAB 和Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应 用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融 建模设计与分析等领域。1.2 、光伏并网系统太阳能电池发电系统是利用光生伏打效应原理制成的，它是将太阳辐变器直接为交流负载供电。射能量直接转换成电能的发电系统。它主要由太阳能电池方阵和逆变器两 部分组成。如下图所示:白天有日照时，太阳能电池方阵发出的电经过并网 逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆 1.1.2 MTTP 跟踪法仿真图1.1 MTTP 仿真图跟踪波形如图 1.2 所示图 1.2 跟踪波形图 1.3 跟踪波形PWM 输出波形如图 1.4 所示Battery 蓄电池系统仿真图如图 1.5 所示图 1.5 蓄电池系统仿真图MPPT 最大功率点跟踪系统如图 1.6 所示图 1.6 最大功率点跟踪系统SPWM 波形如图 1.7 所示锯齿波波形如图 1.8 所示图 1.8 锯齿波形1.2逆变系统仿真图 1.9 逆变系统图 1.10 仿真波形PWM 波形发生系统如图 1.11 所示图 1.11 PWM 发生系统第二章 光伏并网逆变器电路工作原理2.1 逆变器定义1. 要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。2. 要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。3. 要求直流输入电压有较宽的适应范围，由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如 12V 蓄电池，其端电压可在10V16V 之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4. 在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电网品质有较高的要求，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免与公共电网的电力污染，也要求逆变器输出正弦波电流。2.2 逆变器功能作用由 dc/ac 转换提升或降低输入的电压，调节其输出以实现最大的效率。在经过一些附加的电压缓冲之后，左侧电桥中通常由 1820khz 的开关频率，把 dc 电压转换为 ac电压。一般来说，单相 h 桥是 dc/ac 级的常见配置，但是，也可以采用三相和其他配置。最后，通过低通滤波器产生用于并网光伏发电系统的正弦交流电输出。2.3.1并网保护 装置并网保护装置主要实现以下保护功能：低电压保护、过电压保护、低频率保护、国频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容。通常大型光伏电站需要设置冗余保护装置，保证系统故障时及时处理。2.3 孤岛检测技术孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时，并网装置仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。当电网的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时，电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。孤岛效应会对光伏发电系统与电网的重连接制造困难， 同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此孤岛效应必须避免。目前常用的孤岛效应检测方法主要有两种，分别是被动检测方法和主动式检测方法。(A)被动式孤岛检测：孤岛的发生和电网脱离时的负载特性及与电网之间的有功和无功交换有很大的关系。电网脱离后有功的波动会引起光伏系统端口电压的变化，无功的波动会引起光伏系统输出频率的变化。电网脱离后，如果有功或者无功的波动比较明显，通过监测并网系统的端口电压或者输出频率就可以检测到孤岛的发生，这就是被动式孤岛检测方法的原理。然而在电网脱离后，如果有功和无功的波动都很小，此时被动式检测方法就存在检测盲区。（B）主动式孤岛检测：主动式孤岛检测方法中用的比较多的是主动频移法（ AFD），其基本原理是在并网系统输出中加入频率扰动，在并网的情况下，其频率扰动可以被大电网校正回来，然而在孤岛发生时，该频率扰动可以使系统变得不稳定，从而检测到孤岛的发生。这类方法也存在"检测盲区"，在负载品质因数比较高时，若电压幅值或频率变化范围小于某一值， 系统无法检测到孤岛状态。另外，频率扰动会引起输出电流波形的畸变，同时分析发现， 当需要进行电能质量治理时，频率的扰动会对谐波补偿效果造成较严重的影响。2.4 智能电量管理及系统状况监控系统大型光伏电站由于地处偏远地区，常常为无人值守电站。为了准确计量电站的电能输出及系统运行状况需要设立智能电量管理及系统状况监控系统。系统往往基于计算机数据处理平台以及互联网技术将分散的发电系统信息收集到集中控制中心进行数据分析处理工作，这部分的工作原理及系统结构在本文中不在详述。第三章SG3525 芯片SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。3.1 、 芯片特点1) 工作电压范围宽： 835V。2) 内置 51 V±10%的基准电压源。3) 芯片内振荡器工作频率宽 100Hz400 kHz。4) 具有振荡器外部同步功能。5) 死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路， 使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达 400mA。6) 内设欠压锁定电路。当输入电压小于 8V 时芯片内部锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)，使消耗电流降至小于 2mA。7) 有软启动电路。比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚 8，可外接软启动电容。该电容器内部的基准电压 Uref 由恒流源供电，达到 25V 的时间为 t=(25V/50 A)C，占空比由小到大(50%)变化。8) 内置 PWM(脉宽调制)。锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。3.2 、管脚功能管脚图直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率厂由外接电阻 RT 和电容 CT 决定， 振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入 端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将 PwM 脉冲送至三极管VT1 及 VT2 的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1 及 VT2 不同时导通。最后，VTl 及 VT2 分别输出相位相差为 180°的 PWM 波。3.3 、结构设计内部结构图本电源输入电压是由带隔离变压器的 +30V 电源提供， 选用 SG3525 设计的 DC DC 直流变换器原理图。性能指标是：输入电压为 DC2435V 可调，输入额定电压为 30V，输出为 5V/lA。本系统由SG3525 产生两路反向方波来控制 MOSFET 的导通与关闭，MOSFET 驱动采用推挽方式，本设计在变压器的中心抽头加入 30V 直流电压， 输出部分采用全波整流，在输出点上有分压电阻给 TL431 提供参考电压，并通过光电隔离反馈到 SG3525，以调节控制输出方波占空比来稳定输出电压。由于本设计采用推挽式功率变换电路，在输入回路中仅有一个开关的通态压降，而半桥和全桥电路有 2 个， 因此在同样的条件下，产生的通态损耗较小，这种拓扑特别适合输入电压较低的场合， 这也是本设计为什么采用推挽变换器的原因。其中的变压器可同时实现直流隔离和电压变换的功能，磁性元件数目较少，成本较低。第四章 制图4.1 用protel 绘制原理图图4.1 逆变系统原理图4.2 根据原理图生成 PCB 电路板图图 4.2 PCB 电路板图第五章焊接与调试5. 1 电 路 板 面 的 设 计5.2、调试结果第六章实训总结此次实训让我收获颇多。实训的题目是太阳能光伏并网发电技术，不仅对我们所学知识的一个考察，也是对我们的动手能力的一次锻炼。焊接技术对于我来说本应该是很简单的事情，但是在这次的实训中我竟然犯了很严重的失误。因为对焊接很有信心所以就急于把它焊完，所以在检查元器件的时候就只是大略的看了一下就开始着手去焊接了，结果焊到最后发现我少了个电容。费了很大的劲儿才找到，在此过程中浪费了大量的时间。通过此次事件，我知道了细节是非常的重要的。不能自以为这件事你很熟，就可以省略掉其中的一步。