关键字 |
| MPPT，多电平逆变器，光伏，P和0,THD |
介绍 |
| 能源是经济增长的原动力，对维持现代经济至关重要。未来的经济增长在很大程度上取决于能否长期获得负担得起、可获得和环保的能源。政府、行业和独立的分析表明，具有成本效益的能源效率改进可以在10-20年内将全国用电量减少27%至75%，而不会影响生活质量或制造业产出。此外，印度是世界第六大电能消费国，占全球能源消费的3.4%。截至2011年11月31日，印度目前的发电装机容量为1,85496.62兆瓦。印度大约66%的电力消耗来自火电厂，20.88%来自水力发电厂，2.57%来自核电站，11.2%来自可再生能源。根据国际能源署(International Energy Agency) 2011年的预测，在未来50年内，太阳能发电机可能会提供全球大部分电力，从而大幅减少对环境有害的温室气体排放。 |
| 可再生能源领域的研究和技术发展对于解决世界能源需求的增加和环境问题都是必要的。独立光伏系统是农村地区通信系统、水泵和低功耗电器的最佳解决方案。这种系统由光伏发电机、储能设备、交流或直流消费者和用于电力条件的元件组成。光伏组件是光伏发电系统的基本功率转换单元。光伏组件的输出特性随辐照强度和电池温度的变化是非线性的，因此有必要对其进行建模，以模拟单机光伏系统的最大功率点跟踪。 |
| 太阳能光伏(PV)能源是当今最重要的可用资源之一，因为它免费、丰富、无污染，分布在世界各地。不幸的是，光伏发电系统存在两个主要问题:发电的转换效率低(一般低于17%，特别是在低辐照条件下)，太阳能电池阵列产生的电量随着天气条件不断变化。此外，太阳能电池的V-I特性是非线性的，随辐照和温度的变化而变化。一般来说，V-I或V-P曲线上有一个唯一的点，称为最大功率点(MPP)，在这个点上，整个PV系统(阵列、转换器等)以最大效率运行，并产生其最大输出功率。MPP的位置尚不清楚，但可以通过计算模型或搜索算法进行定位。因此，需要采用最大功率点跟踪(MPPT)技术来保持光伏阵列在最大功率点的工作点。P&O，增量电导(INC)方法是最常用的跟踪MPP的方法，通过重复更新PV阵列的工作电压，以固定步长改变功率变换器的占空比。 |
| 而通过引入最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)算法，光伏系统的电能传输效率可以显著提高，可以持续将太阳能电池板的工作点保持在与该辐照度和温度等相关的MPP上，如图1所示。 |
| 本文介绍了一种光伏系统阵列与级联h桥式多电平逆变器连接，通过简单的电力电子解决方案实现电压波形的正弦化，并向负载输出正弦电流。多电平逆变器的拓扑结构可分为三种类型:飞电容逆变器、二极管箝位逆变器和级联桥逆变器。级联多载波多电平逆变器策略降低了总谐波。现在对过滤器尺寸的要求也变少了。电压和谐波绘制并与正常PWM逆变器进行比较，以资本化所需的结果。 |
Pv组件模型 |
| 太阳能电池基本上是在半导体薄晶片上制造的p-n结。太阳能的电磁辐射可以通过光伏效应直接转化为电能。暴露在阳光下，能量大于半导体带隙能量的光子会产生一些与入射辐照成比例的电子-空穴对。PV电池的等效电路如图所示。 |
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| 图中显示了以单个二极管电路为模型的PV电池。 |
| 电流源Iph表示电池光电流。Rsh和Rs分别是细胞固有的分流电阻和串联电阻。通常Rsh值很大，Rs值很小，为了简化分析，可以忽略Rsh值。 |
| 光伏电池被分组在更大的单元中，称为光伏模块，这些模块进一步以平行串联的配置相互连接，形成光伏阵列。 |
| 光伏板的数学模型如式(1)-(4)所示。 |
| 模块光电流 |
| Iph = [Iscr + Ki (t - 298)] *λ/ 1000 ...................................( 1) |
| 饱和电流 |
| 国税局= Iscr / [exp (q.Voc / Ns.k.A.T )] .................................( 2) |
| 模块饱和电流I0随电池温度的变化而变化 |
| I0 =国税局* (T / Tr) 3 exp (q *自我{(1 / Tr) - (1 / T )}]....................( 3) |
| PV模块的“Current”为 |
| Ipv = Np * Iph-Np * I0 [exp {(q * Vpv + Ipv * Rs) / NsAkT}]。(4) |
| 挥发性有机物(Voc)的排放,Vpv = Np = 1, Ns = 36。 |
| 基于上述方程设计了光伏组件。 |
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| 这就是本文所使用的模型，给出了电压、电流、功率作为分系统PV模块的输出。 |
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Pv模组Pv和iv特性 |
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| 该图显示了不同辐照条件下的I-V曲线。 |
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| 图中为随温度变化的I-V曲线。 |
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| 图为不同辐照度下的P-V曲线。 |
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| 该图显示了随温度变化的P-V曲线。 |
P和o MPPT算法 |
| 最常用的MPPT算法是P&O算法，因为它实现简单。然而，它也有一些缺点，如稳态运行时MPP周围的振荡，以及在太阳辐照度变化时的响应速度较慢。图中为P&O算法。 |
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| P&O算法是基于PV阵列输出功率的计算以及通过感知PV电流和电压的功率变化。控制器通过将当前输出的功率值与之前的值进行比较，周期性地运行，以确定太阳能电池阵列电压或电流的变化。该算法读取输出太阳能光伏组件的电流和电压值。功率由测量的电压和电流计算出来。存储第k时刻的电压和功率大小。然后再次测量第(k+1)个瞬间的功率和电压大小，并根据测量值计算功率。 |
多电平逆变器 |
| m级级联逆变器的单相结构如图5所示。每个独立的直流电源(SDCS)连接到单相全桥或h桥逆变器。通过四个开关S1、S2、S3和S4的不同组合将直流电源连接到交流输出，每个逆变器电平可以产生三种不同的电压输出，+Vdc、0和-Vdc。如果需要得到+Vdc，需要打开S1和S4开关，而-Vdc则需要打开S2和S3开关。通过接通S1和S2或S3和S4，输出电压为0。每个不同的全桥逆变器电平的交流输出串联，这样合成的电压波形是逆变器输出的和。级联逆变器中输出相位电压电平m的数量定义为m = 2s+1，其中s为独立直流源的数量。图中显示了具有5个sdcs和5个全桥的11级级联h桥逆变器的相位电压波形示例。相电压VAM = VA1+ VA2+ VA3+ VA4+ VA5对于如图中所示的s阶跃波形，该波形的傅里叶变换如下: |
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| 图中为m级多电平级联H桥逆变器单相结构。 |
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| 该图显示了具有5个独立直流源的11级串级逆变器的输出相位电压波形。 |
仿真结果 |
| 图中显示了基于所提出的多级变换器的完整光伏发电系统已在样机中实现，所提出的框图如图所示。如果所有串产生的功率相等，则所有电池的输出电压也相等。在MATLAB-Simulink中进行了仿真，研究了所提出的控制和调制方案的性能。对图中所示的特定系统进行了建模。两个光伏阵列通过一个五级级联H桥逆变器连接到一个无源负载。 |
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| 这个图显示了整个电路的布局。 |
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| 该图显示了用于开关多电平逆变器的调制技术。 |
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| 该图显示了由MPPT控制的光伏组件的功率输出和开关占空比。 |
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| 该图显示了与多电平逆变器连接的整个系统的负载电压和负载电流输出。 |
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| 该图显示了负载电压的THD和谐波谱。 |
| 为了比较该系统的结果，采用了简单的直流-交流逆变器和光伏组件。 |
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| 该图显示了负载电压的THD和谐波谱。 |
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| 因此，从比较中可以清楚地注意到总谐波失真大大降低。 |
| 现在，如果系统在R-L负载下进行研究，那么THD会发生变化，但它取决于电感的值。基本成分也增加了。 |
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| 如果电感值增加，则THD会降低，基本分量也会增加。为了显示这种现象，电感值将增加，结果将在下一个图中绘制。 |
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| 所采用的开关模式应用于级联多电平逆变器开关，在0.9调制指数下产生5个输出电压电平。仿真系统逆变器输出电压的THD和谐波谱如图所示。 |
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数字一览 |
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| 图1 |
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参考文献 |
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