数字式光伏阵列模拟器研究-第一版

1数字式光伏阵列模拟器研究输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentandSystemSecurity傅望2011.4引子选题背景及研究意义（第一章）实验分析及结论、展望（第五、六章）负载工作点跟踪策略（第三章）内容简介光伏阵列模拟器设计（第四章）光伏电池数学模型（第二章）一选题背景太阳能：可持续，清洁能源。光-热，光-化学，光-伏三种利用方式光伏发电：技术含量最高最有发展前途光伏阵列：核心部件一选题背景光伏电池输出特性光伏电池特性曲线I/AI/A70006000500040003000P/W050100150200250300350051015202530354080001000200070006000500040003000P/WU/V8000100020000501001502002503003500510152025303540特性：随光照温度变化的非线性电源1.最大功率点前：近似电流源2.最大功率点后：近似电压源3.功率随光照强度增加而增加4.功率随电池温度增加略有下降一选题背景在研发环境下：成本高，操作不方便S和T持续变化导致：不便于实验室开发和试验光伏阵列模拟器：是光伏相关技术研究的硬件基础一选题背景模拟实际光伏阵列的输出特性，替代实际的光伏阵列为光伏系统提供能量一选题背景光伏阵列模拟器国内外研究现状国外研究情况:UniversityofNewBrunswich（加拿大）AgderUniversityCollege（挪威）LoughboroughUniversity（英国）Anglent（安捷伦公司）国内研究情况：合肥工大，中科院电工所，浙江大学，华中科技大学，电子科技大学，北京交通大学等一选题背景光伏阵列模拟器分类模拟式模拟器通过功率放大电路将样品电池的输出电压和电流放大。通过仿日照电灯代替太阳光，通过温度控制箱来控制电池的温度数字式模拟器其实质为按I=f(V)特性输出的开关电源一选题背景模拟式光伏阵列模拟器模拟式模拟器：对样品电池进行功率放大一选题背景数字式光伏阵列模拟器数字式模拟器：其实质为按I=f(V)特性输出的开关电源负载VoIoDC光伏电池工程用数学模型PIPWM驱动IrefIo+-一选题背景数字式光伏阵列模拟器关键问题1主电路拓扑模拟器功率等级2输出特性方程I=f(V)3负载工作点的跟踪算法}参考点电流值Iref一选题背景VI(Vref,Iref)I=g(V)I=f(V)参考点电流值Iref的生成光伏电池数学模型方程I=f(V)准确性和方程的运算量大小负载工作点的跟踪算法求解方程组的过程{I=f(V)I=g(V)(Vref,Iref)一研究意义光伏电池数学模型方程光伏电池数学模型方程I=f(V)的理想要求：“准”“小”1电路理论模型0()exp[]1SSLShqVIRVIRIIIAKTR特点：准，参数不易确定，运算量大只用于理论分析，不方便实际使用IphIDIshRshCjVJIsVRs二数学模型光伏电池数学模型方程光伏电池数学模型方程I=f(V)的理想要求：“准”“小”2工程用指数模型121212{1[exp()1]}(1)exp()(1)[ln(1)]SCOCmmscOCmmOCscVIICCVIVCICVVICVI特点：能满足工程精度要求，参数为电池厂家提供。指数对数运算较多，运算量较大二数学模型光伏电池数学模型方程光伏电池数学模型方程I=f(V)的理想要求：“准”“小”3多项式拟合模型特点：需要大量测试数据才能保证拟合精度，且不同电池或者在不同S,T条件下，需要重新测试数据点拟合方程，不便于工程使用02ni12i1aaVnniIaaVaVV……二数学模型光伏电池数学模型方程光伏电池数学模型方程I=f(V)的理想要求：“准”“小”提出平抛运动学模型：满足工程精度要求的前提，尽可能减小运算量，舍去指数对数运算，便于工程实用。一研究意义光伏阵列模拟器应满足要求：（1）能够按照光伏阵列的输出特性曲线完成输出（准）（2）当负载一定时能够稳定在光伏阵列I-V曲线和负载曲线的交点（即负载工作点），当改变环境条件和改变负载时，能够尽快的稳定到新的工作点（动态性能）本文提出方法的效果（3）输出功率能够满足一定的要求。一研究意义本文主要内容针对影响数字式光伏阵列模拟器性能的两个主要因素：光伏电池数学模型和寻找负载工作点的算法，对传统的方法进行改进。用RT-LAB半实物仿真平台进行了实验，验证理论分析的正确性，并分析实验结果二数学模型改进ocVmV0g=01g2gX（V）Y（I）0vscImI0mxV假设小球从点（0,Isc)平抛出去，在不同的重力场作用下，经过点(Vm,Im)，最后到达点（Voc,0）,可得一条类平抛运动轨迹，该轨迹反映了光伏电池输出特性。基于运动学理论光伏电池工程用数学模型二数学模型改进模型初值的修订(1)ln()(1)I(1)ln()(1)scscrefrefOCOCrefmmrefrefmmrefSIIaTSVVebScTSIaTSVVebScT通过厂家给定参数，换算出任意S,T的参数二数学模型改进模型公式推导2022022()2[2()()]()scm1mmmmmscmocm2ocmmmIIgVVIVVIIVVgVVVVvvocVmV0g=01g2gX（V）Y（I）0vscImI0mxV222200121()()20sc1sc1m12m2mmmmIIIIgVVgIIgVVVVVVvv压关键点二数学模型改进模型公式推导ocVmV0g=01g2gX（V）Y（I）0vscImI0mxV222()2[2()()]()scm1mmmmmscmocm2ocmmmIIgVVIVVIIVVgVVVV22121()()20sc1sc1m2m2m1mmmIIIIgVVIIgVVgVVVV消参数二数学模型改进参数λ最优值选取scmmm2(II)=1VI最优值的确定可以保证在环境条件变化后，其拟合形状在最大功率点处与理论曲线最大程度重合压斜率ocVmV0g=01g2gX（V）Y（I）0vscImI0mxV二数学模型改进实测数据运动学模型0510152025303540450123456I/AU/V0510152025303540450123456U/VI/A实测数据运动学模型0510152025303540012345实测数据运动学模型I/AU/V温度不同，光照相同温度相同，光照不同实测数据由无锡尚德提供二数学模型改进和工程用指数模型对比051015202530354045012345指数模型实测数据运动学模型I/AU/VmaxiEmaxvEmaxiEmaxvE电池号光强/W/m2温度/℃运动学模型指数模型1#800251.3%2.6%2.4%1.9%1#1000251.7%1.5%2.9%1.6%1#1000602.9%2.4%4.5%1.9%2#800252.1%2.4%1.9%1.8%2#1000252.5%1.5%2.1%1.4%2#1000603.2%2.1%2.5%1.7%误差对比结果：小于4%，满足工程要求二数学模型改进减少了一半左右的运算量模型运算量指数模型29次乘法运动学模型11～19次乘法和工程用指数模型对比二数学模型改进和多项式拟合模型比较（a）与多项式拟合模型相比，运动学模型只需要电池厂家给出的电池型号参考数据即可建模，并给出了统一的公式，能更方便复现不同环境条件下的输出特性曲线。（b）在环境条件的变化时，通过g0与g1分段点位置自动调整，仍能保证模型曲线在最大功率点附近与理论模型曲线重合。三算法改进ABCDVR2环境1环境2IR1传统的迭代法实现过程以负载跳变为例ABCED三算法改进12R=V/I{1[exp()1]}SCOCVIICCV现有算法迭代法数值解法查表法：快，但数据不全，构建数据表格麻烦实时计算：慢，数据齐全影响动态性能查表实现查表或实时计算三算法改进根据运动学模型不含指数运算的特点，直接联立方程组求解过程只需求解一元二次方程，分段求解其结果211121222222121211221122,(1)122,(1)(1)2(0.5),scscmmscrefscmmmmmmmmmmmmmxVmIRIxgVRxgVRgRIxVmVmIRgRIIxgVRgVRgVRVRggVRxgVRRgVgxgVgVIVRgRI三算法改进IRBVACDIRBVACDABCD四实验结论VoIoDCIref=f(R)PIPWM驱动IrefIo+-电流传感器电压传感器DCRLQR=Vo/IoRT-LAB实时仿真平台Isc=2.02A，Im=1.93A，Voc=21.6V，Vm=17.6V四实验结论VCQLinVD1RRI2R02SLVinVLDTi8LsiTCv开关频率为10KHz30V50Ω1Ω四实验结论元器件参数及硬件型号元器件参数硬件型号滤波电感L1.7mH电压传感器CHV-25P滤波电容C470uF电流传感器CHB-25NPIGBT开关管QFF100R12MT4400直流电源DC安捷伦E4360A电源工作在30V定电压模式四实验结论ˆ()refisˆ()is()cGs1MV()vdGs()ivGsˆ()eisˆ()cisˆ()dsˆ()vs()Hs输出电流控制对输出传递函数脉宽调制补偿器参考电流221()1(//)invdVGsLLCssRRR22//()(//1)ivRRGsRRRR四实验结论ˆ()refisˆ()is()cGs1MV()vdGs()ivGsˆ()eisˆ()cisˆ()dsˆ()vs()Hs输出电流控制对输出传递函数脉宽调制补偿器参考电流-100-50050Magnitude(dB)100101102103104105-180-135-90-450Phase(deg)BodeDiagramFrequency(Hz)TTu33(1)(1)()1628(0.463101)(1)140.055101LzcpwswsGsKswsss矫正后，开环传递函数Tu(s)为：()()()()()/ucvdivMTsGsGsGsHsV四实验结论Out44Out33Out22Out11vo1v+-vov+-r2r1pvripowerguiDiscrete,Ts=1e-005s.TerminatorStepScope1Saturation2Saturation1R2R1PIDiirefPWMLIdealSwitchgm12IGBTgmCEGoto4[IL]Goto3[io]Goto2[vo]Goto1[vo1]Goto[PWM]From6[PWM]From5[vo]From4[IL]From3[io]From2[vo]From1[io]Divide5Diode1DC30CurrentMeasurement1i+-CurrentMeasurementi+-CMATLAB/SIMULINK仿真四实验结论1000W/m2600W/m2负载由7.5Ω跳变到10Ω四实验结论VoIoDCIref=f(R)PIPWM驱动IrefIo+-电流传感器电压传感器DCRLQR=Vo/IoRT-LAB实时仿真平台R1R2四实验结论PWM4info3i2u1Terminator1Saturation2Saturation1RTEConversion2(conv)