微電網中部分電源設備建模研究

殷玉丹等

摘要：微電網仿真研究需要準確的元件模型，其中重要的組成部分就是電源的選擇，本文以兩種光伏電池和燃料電池為例，對其建立了等效模型，模型簡單且符合工程需求，該模型能對基于MATLAB進行仿真研究時提供參考。

關鍵詞：微電網 電路模型 電源 建模

1 概述

隨著微電網理論的研究深入，各國家地區示范項目增多，容量加大，微電網已成為今后電力系統發展的熱潮。目前微電網理論和實驗研究已經取得了很好的研究成果[1，3]。鑒于微電網系統的復雜程度，其中就包括了微電源的多樣式選擇，本文對部分微電源的建模方法進行了分析。以對基于MATLAB軟件進行仿真研究提供參考。

2 光伏電池建模

光伏發電時根據光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。光伏發電成本過高，而且實際的光照等因素又復雜多變，所以計算機仿真模擬為實際研究提供了很好的便利。

光伏電池的等效模型如圖1。各變量關系如下：

其中Iph為光生電流，與光伏電池的面積以及入射光所能輻射到的角度成正比關系。ID為暗電流，即在無光照的條件下，由外電壓作用下PN結內流過的單向電流，其大小反映在當前環境溫度下光伏電池PN結自身所能產生的總擴散電流的變化情況。IL為光伏電池輸出時負載經過的電流大小。Uoc則為開路電壓。RL是負載上的電阻，Rs是串聯電阻，Rsh是旁路電阻。I0是光伏電池本身內部存在的可等效的二極管PN結的反向飽和電流，與電池材料自身的性能有關，反映了光伏電池對光生電子載流子最大的復合能力，是一個常數，不受光照強度的影響；Isc為短路電流，即將光伏電池置于標準光源的照射下，在輸出短路時流過光伏電池兩端的電流；UD為等效二極管的端電壓；q為電子電荷；k為玻爾茲曼常量；T為熱力學溫度；A為PN結曲線常數。

以上的分析中可以發現有很多不確定因素，這些因素在很大程度上影響了物理模型的精確性，使得物理模型對實際電池的模擬存在較大局限性，也限制了其在實際工程以及仿真研究中的應用。除了根據等效模型建立的關系式，也可以根據神經網絡建立模型，或是根據工程需要提出的簡便數學模型，即

其中需要光伏電池提供的四個很重要的技術參數分別是Isc，Voc，Im，Vm，從而在一定程度上精確復現光伏電池的一般特性。經觀察發現，不論什么環境下，Isc，Voc，Im，Vm總是按照規律變化著，這對我們的研究工作提供了便利；那么就可以假設在補償系數合理的情況下推算，就可以得出在光照S和溫度T下的四個技術參數，如下：

補償系數一般給定為a=0.0025/℃，b=0.0005/W/m2， c=0.00288/℃。

所以根據公式（2）和公式（3）可得出任意溫度和光照下光伏電池的特性。在對比公式（1）所對應的數學模型，工程數學模型相對簡單許多。根據公式只需要三個輸入量在軟件仿真下就可以得出結果。

3 燃料電池建模

燃料電池作為一種可直接將存儲燃料和氧化劑中的化學能高效地轉化為電能的發電裝置而被廣泛應用在很多場所中。由于其高效、節能、環保，成為了目前為止被熱切關注的發電方式之一。燃料電池按其電解質的不同，可以被分為五大種類，其中固體氧化物燃料電池是一種被常用的電池種類，它又分為高溫，中高溫以及低溫，這三種不同的固體氧化物燃料電池，在以后的仿真研究中以簡化固體氧化物燃料電池的模型為主。燃料電池的運行特性受到溫度、壓力、電流密度等眾多外界因素以及本身結構的影響，具有較強的非線性。在現有的很多模型中都具有很多不確定因素[4]。燃料電池在運行時存在輸出電壓隨著輸出電流的增大而減小的關系，而極化曲線就是反映這一關系的數學曲線。其等效圖如圖2。其輸出電壓的關系為：

在研究燃料電池時需要控制環節來保持輸出功率的最大化，在仿真研究時也可以假設輸出的功率是一定的，相對來說研究內容就簡單許多。

4 結語

鑒于微電網的電源部分本身就是復雜多選擇的，本文只是總結了光伏電池和燃料電池的等效模型以及數學關系式，從而給出了可以為仿真實驗提供快速有效的計算方式。為仿真實驗提供一定的選擇。在軟件仿真實驗中，如何簡單有效的模擬出實際發電狀況是今后研究值得關注的問題。

參考文獻：

[1]魯相宗，侯文義.微電網研究綜述[J].電力系統自動化，2007，31（19）：100-104.

[2]司傳濤，楊藝云.光伏電池的建模與仿真研究[J].廣西電力，2012，35（6）：15-17.

[3]草相芹，鞠平，蔡昌春.微電網仿真分析與等效化簡[J].電力自動化設備，2011，31（5）：94-96.

[4]仲志丹，朱新堅，曹廣益.基于模擬退火算法的燃料電池建模[J].電池，2006，36（5）：398-400.