100 kW 并网光伏阵列详细模型

Pierre Giroux, Gilbert Sybille (Hydro-Quebec, IREQ) Carlos Osorio, Shripad Chandrachood (The MathWorks)

描述

一个 100 kW 的光伏阵列通过一个 DC-DC 升压变换器和一个三相三电平电压源型变换器 (VSC) 连接到 25 kV 电网。最大功率点跟踪 (MPPT) 通过一个使用"增量电导 + 积分调节器"技术的 Simulink 模型在升压变换器中实现。

另一个示例（参见 PVArrayGridAverageModel 模型）对 DC_DC 和 VSC 变换器使用了平均模型。在该平均模型中，MPPT 控制器基于"扰动观察"技术。

该详细模型包含以下组件：

• 光伏阵列：在 1000 W/m^2 太阳辐照度下最大输出功率为 100 kW。
• 5 kHz DC-DC 升压变换器：将电压从光伏自然电压（最大功率时为 273 V DC）提升至 500 V DC。开关占空比由一个使用"增量电导 + 积分调节器"技术的 MPPT 控制器优化。该 MPPT 系统自动改变占空比，以产生提取最大功率所需的电压。
• 1980 Hz 三电平三相 VSC。VSC 将 500 V 直流母线电压转换为 260 V 交流电压并保持单位功率因数。VSC 控制系统使用两个控制环路：一个外部控制环路，用于将直流母线电压调节至 +/- 250 V；一个内部控制环路，用于调节 Id 和 Iq 电网电流（有功和无功电流分量）。Id 电流参考值是直流电压外部控制器的输出。Iq 电流参考值设置为零以保持单位功率因数。电流控制器的 Vd 和 Vq 电压输出被转换为三个调制信号 Uabc_ref，供 PWM 发生器使用。控制系统对电压和电流控制器以及 PLL 同步单元使用 100 微秒的采样时间。升压变换器和 VSC 变换器的脉冲发生器使用 1 微秒的快速采样时间，以获得适当的 PWM 波形分辨率。
• 10 kvar 电容器组：用于滤除 VSC 产生的谐波。
• 100 kVA 260V/25kV 三相耦合变压器。
• 公用电网（25 kV 配电馈线 + 120 kV 等效输电系统）。

该 100 kW 光伏阵列使用 330 个 SunPower 组件 (SPR-305E-WHT-D)。该阵列由 66 个并联的支路组成，每个支路由 5 个串联组件构成 (665305.2 W= 100.7 kW)。

光伏阵列模块的"Module"参数允许您从 NREL 系统顾问模型 (https://sam.nrel.gov/) 的各种阵列类型中进行选择。

单个组件的制造商规格如下：

• 串联电池数量：96
• 开路电压：Voc= 64.2 V
• 短路电流：Isc = 5.96 A
• 最大功率点电压和电流：Vmp =54.7 V, Imp= 5.58 A

光伏阵列模块菜单允许您绘制单个组件和整个阵列的 I-V 和 P-V 特性曲线。

光伏阵列模块有两个输入，允许您改变太阳辐照度（输入 1，单位 W/m^2）和温度（输入 2，单位摄氏度）。辐照度和温度曲线由一个连接到光伏阵列输入的 Signal Builder 模块定义。

仿真

运行模型并在示波器上观察以下事件序列。

仿真从标准测试条件（25 摄氏度，1000 W/m^2）开始。

从 t=0 秒到 t=0.05 秒，升压变换器和 VSC 变换器的脉冲被封锁。光伏电压对应于开路电压 (NserVoc=564.2=321 V，参见 PV 示波器上的 Vmean 轨迹)。三电平桥作为二极管整流器工作，直流母线电容器充电至 500 V 以上（参见 VSC 示波器上的 Vmean 轨迹）。

在 t=0.05 秒，升压变换器和 VSC 变换器解除封锁。直流母线电压被调节在 Vdc=500V。升压变换器的占空比固定（D= 0.5，如 PV 示波器所示）。

在 t=0.25 秒达到稳态。因此，得到的光伏电压为 V_PV = (1-D)*Vdc= (1-0.5)*500=250 V（参见 PV 示波器上的 Vmean 轨迹）。光伏阵列输出功率为 96 kW（参见 PV 示波器上的 Pmean 轨迹），而 1000 W/m^2 辐照度下的指定最大功率为 100.7 kW。在 Grid 示波器上观察到 25 kV 母线的 A 相电压和电流同相（单位功率因数）。在 t=0.4 秒启用 MPPT。MPPT 调节器开始通过改变占空比来调节光伏电压，以提取最大功率。当占空比 D=0.454 时获得最大功率 (100.4 kW)。

在 t=0.6 秒，光伏阵列平均电压 =274 V，符合光伏组件规格的预期 (NserVmp=554.7= 273.5 V)。

从 t=0.6 秒到 t=1.1 秒，太阳辐照度从 1000 W/m^2 斜坡下降至 250 W/m^2。MPPT 继续跟踪最大功率。

在 t=1.2 秒，当辐照度降至 250 W/m^2 时，占空比为 D=0.461。相应的光伏电压和功率为 Vmean= 268 V 和 Pmean=24.3 kW。请注意，在此快速辐照度变化期间，MMPT 继续跟踪最大功率。

从 t=1.2 秒到 t=2.5 秒，太阳辐照度恢复至 1000 W/m^2，然后将温度升高至 50 摄氏度，以观察温度升高的影响。请注意，当温度从 25 摄氏度升高到 50 摄氏度时，阵列输出功率从 100.7 kW 下降到 93 kW。

参考文献

有关各种 MPPT 技术的详细信息，请参阅以下论文：

Moacyr A. G. de Brito, Leonardo P. Sampaio, Luigi G. Jr., Guilherme A. e Melo, Carlos A. Canesin “Comparative Analysis of MPPT Techniques for PV Applications”, 2011 International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP).

组件特性提取自 NREL 系统顾问模型 (https://sam.nrel.gov/)。

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