獨立光伏發電系統仿真研究

陳 勇 魏金成

（西華大學，成都 610039）

近年來，世界光伏電池年產量迅速增加，各國都在加大對新能源和可再生能源的支持力度，許多發達國家制定了光伏屋頂計劃，通過政府補貼和電價政策，鼓勵各種建筑物安裝光伏發電系統。隨著新能源的開發日益得到各國的重視，光伏發電也迎來了其蓬勃發展的新時期。現在光伏發電面臨的主要問題是光伏發電效率偏低，在遮光情況下，PV系統的性能極易受到光照強度、溫度等環境因素的影響，且前期投入較大，這些問題一直制約著光伏發電的飛速發展[1]。為了提高光伏組件模型在遮光情況下的準確性，國外學者 Kawamura等提出了一種雙二極管模型，但是該方法增加了多個模型參數[2]。GoW提出了一種數值計算方法，引入了新的模型系數增加了計算的負擔[3]。Alonso提出了一種實驗模型，只研究了光伏模組的不均勻光照情況，沒有擴展到光伏陣列[4]。國內學者管笛和劉忠洋提出了一種新的太陽能電池陣列數學物理模型，提高了模型的精度，但沒有分析不均勻光照的影響[5]。本文在分析光伏電池模型的基礎上，建立獨立光伏發電系統完整的Simulink仿真模型，驗證光伏電池模型和算法的有效性。

1 仿真模型搭建

1.1 光伏電池模型

圖1 單個光伏電池的等效電路圖

單個光伏電池的等效電路圖如圖1所示，根據二極管特性和基爾霍夫定律有如下方程：

式中，Vd、IdAd、Isd分別為二極管 D的電壓、電流、影響因子和反向飽和電流；I、V為光伏電池的輸出電流和輸出電壓；q為電荷常數，其值為1.6× 10-19C；T為溫度，單位為K；k為波爾茲曼常數，其值為1.38× 1 0-23J/K ；Iph為光生電流；Rs、Rsh分別為等效串聯電阻和并聯電阻。在溫度為T光照強度為G時，光生電流Iph為

根據式（6）可搭建光伏陣列在 Simulink下的通用模型如圖2所示[6-9]。光伏陣列模型含有光照強度Irr、溫度Tmep和陣列輸出電壓Vpv3個輸入端和一個輸出端Ipv（陣列流過的電流）。將Vpv反饋到陣列模型的輸入端是為了確定電池的二極管電流。陣列的電流輸出端表明光伏陣列是一個電流源，光生電流由太陽光照產生[4,10-11]。從獨立光伏發電系統的總體模型圖可以看出，光伏陣列的輸出端和一個可控電流源相連。

1.2 升壓轉換器

系統第二個子模塊為升壓轉換器，如圖3所示。該模塊含有5個端子，輸入電壓的正負極和輸出電壓的正負極和一個控制輸入端。控制端的 PWM輸入用來控制IGBT的開斷，其中PWM由MPPT算法根據系統的運行狀況產生。

1.3 蓄電池模型

在新能源系統中，用得最多的蓄電池時鉛酸電池。鎳鎘電池、鎳氫電池鋰和離子電池等對于獨立光伏發電系統來說價格太貴而且不方便。考慮到電池的成本和特點，本文選用鉛酸電池作為系統的儲能元件，蓄電池仿真模型如圖4所示。

圖2 光伏陣列模型

圖3 升壓直流轉換器模型

圖4 蓄電池模型

1.4 MPPT跟蹤模型

光伏電池的特性決定光伏電池在每個特定的條件下都存在一個最大功率點（Maximum Power Point，MPP），并且MPP會隨著溫度、光照強度的改變而改變。最大功率點跟蹤系統就是通過合理最大功率點跟蹤算法與能量轉換系統相結合來實現光伏電池的最大功率輸出。通常，通過調整光伏電池的輸出電流或者光伏電池兩端的電壓來實現光伏系統的最大功率輸出。其在 Simulink下的仿真模塊圖如圖5所示。

1.5 獨立光伏發電系統仿真模型

為了給交流負載供電和提高電能的質量，給系統引入了逆變器和輸出濾波。整個系統的仿真模型如圖6所示。

2 系統仿真

2.1 系統配置

本文仿真的光伏陣列由2行9列的光伏模組串并聯組成，系統的最大輸出功率為1080W。根據系統的輸出功率，確定蓄電池組由4行5列20個蓄電池組成，輸出電壓為48V，容量為925Ah。

圖5 最大功率點跟蹤模型

圖6 獨立光伏發電系統

考慮到系統要提供有效值為220V頻率為50Hz的交流電為負載供電，根據系統的最大輸出功率，選取負載大小為1080VA，功率因素為0.8（滯后）。在光照強度為21kW/m時，直流升壓轉換器輸入端的電壓近似等于 34.2V，其輸出端的電壓要和蓄電池組48V的標稱值匹配。

2.2 系統仿真

如圖6所示，獨立光伏發電系統逆變器輸出端含有一個 LC濾波器，濾波器電感值為50μH電容值為100μF，濾波器左端與逆變器并聯右端與變壓器并聯。變壓器輸出端與交流負載相連，為交流負載提供有效值為220V的工頻電壓。本節將仿真系統在環境溫度為25℃，光照強度在短時間內從逐步增加到，然后又從降低到時系統的運行情況。光照強度隨時間的變化曲線如圖7所示。

在光照強度劇烈變化的情況下，光伏系統的MPP也會快速的跟隨光照強度的改變而改變。為了跟著MPP的移動，最大化系統的功率輸出，MPPT算法會根據天氣條件的變化改變系統的工作點。

當光照條件穩定不變，即系統MPP不變時，電壓電流值在MPP附近小范圍的波動，保證系統一直工作在最大功率輸出狀態，輸出曲線如圖8所示。由圖可知，在光照從一個強度級別向另一個強度級別跳變時，系統功率輸出經過一個很短的時間擾動過程后到達最大功率輸出點，然后一直穩定在最大功率輸出狀態直到下一次天氣條件的改變。

MPPT算法根據光照強度的變化，找出MPP的移動方向，給出電壓的控制波形，控制直流轉換器從而調整系統的工作點。本例中MPPT算法產生的PWM控制波形如圖9所示。

圖10為蓄電池組兩端的電壓波形，當系統發出功率能滿足負載需求時，系統給蓄電池充電，當系統過載時蓄電池放電給負載供電，從而保證負載端電壓的穩定。從圖可以看出，在環境條件的改變下，蓄電池不停的充放電，電壓一直維持在48V左右。

圖7 光照強度

圖8 光伏陣列輸出功率

圖9 MPPT控制信號

圖10 蓄電池組端電壓

逆變器的輸入端接蓄電池組，輸出端接輸出濾波器， LC濾波器將逆變器波形濾波后得到幅值為38V，頻率為50Hz的標準正弦波。濾波器將得到的正弦波輸入到變壓器為交流負載供電，負載電壓波形如圖11所示。

圖11 負載兩端電壓

從逆變器、濾波器、變壓器和負載電壓的波形可以看出，天氣條件的變化給光伏陣列的輸出功率帶來了大幅的擾動但是并沒有影響到系統負載端的穩定。

3 結論

本文在Matlab/Simulink環境中搭建了獨立光伏發電系統的仿真模型并對整個系統進行了仿真。從仿真結果可以看出，光伏陣列模型準確，系統運行情況良好，特別是在天氣條件劇烈變化的情況下，系統響應速度快，能快速準確的跟蹤到系統的MPP。系統擾動范圍小準確度高，在光照強度不足的情況下，系統通過蓄電池組放電保證了系統負載端輸出的穩定性，滿足了負載對電能質量的要求。

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