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1、太原理工大学 硕士学位论文 光伏并网系统的仿真与小干扰稳定性分析 姓名：门汝佳 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：韩肖清 20100507 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 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
2、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 压的比值与光照强度、温度的关系，得到这样的结论：受温度影响不 大，当光照强度发生变化时，会在一个小范围内发生改变，光照强度越 强，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
3、,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
4、 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 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
5、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
6、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 太原理工大学硕士研究生学位论文 III SIMULATION AND SMALL SIGNAL STABILITY ANALYSIS OF A GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEM ABSTRACT With the depletion of traditional energy resources and the det
7、erioration of environment, solar energy is getting more and more attention for its abundant reserves and cleanliness. As an important form of solar power, photovoltaic power generation has become a main research direction for both domestic and foreign scholars. In this paper, a three-phase grid-conn
8、ected photovoltaic (PV) system is studied. The power generation principles and the mathematical model of photovoltaic array are introduced. The simulation based on matlab is conducted and the output characteristics of the PV array are researched. Ac- cording to the output characteristics, maximum po
9、wer point tracking methods and the grid-connected control strategy are developed. Finally, the influence of the grid-connected PV system on the small signal stability of the whole system is discussed, providing a reference for the actual project. The detailed researches are as follows: （1）In this pa
10、per, the power generation principles and the electrical characteristics of photovoltaic array are introduced. Then a simulation of photovoltaic array based on the mathematical model is conducted. The influ- ence of solar irradiation level and temperature on the output characteristics and volt-ampere
11、 characteristics of photovoltaic arrays are analyzed. The rela- tionship between （the ratio of the maximum power point voltage and the open circuit voltage）and the solar irradiation level as well as temperature is discussed, the conclusion is: is little affected by temperature while it is af- fected
12、 more by solar irradiation level. If the solar irradiation level get stronger, 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV will get bigger, however, the variation range is not big. （2）As solar irradiation level and temperature changes will affect the power output of PV array, it is necessary to take some measures to track t
13、he maximum power. Constant voltage tracking method, perturb & observe algo- rithm and incremental conductance method are three kinds of typical maxi- mum power tracking methods. The principles of these methods are introduced in this paper. Then simulation models of constant voltage tracking method a
14、nd perturb & observe algorithm based on MATLAB are established. Combined with the PV array model, the simulations of these two methods are conducted. The simulation results are compared and discussed. The results show that if the reference voltage is selected appropriately the constant voltage track
15、ing method can always maintain the output voltage of PV array in the vicinity of the maximum power point regardless of the solar irradiation level and tem- perature changes. For the perturb & observe algorithm, if the tracking step is short enough, the tracking accuracy will be ideal, but with more
16、iteration. In order to track the output of the PV array quickly and accurately, these two methods are combined to locate the maximum power point: The constant voltage tracking method is used to provide an initial value. The perturb & ob- serve algorithm is used to locate the maximum power point whose tracking step can be set relatively short. （3）A typical mathematical model of three-phase grid-connected PV system consisting of a PV system, a distribution network and a resis- tance-indu
