光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計及潮流計算

廖勇過 李嶠

摘 要：由于光伏陣列的輸出特性受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等外界條件的影響較大，且呈非線性關(guān)系。文章首先在Simulink環(huán)境下建立了光伏陣列及其MPPT的仿真模型進(jìn)行仿真處理，然后根據(jù)對仿真結(jié)果的分析，此模型能夠穩(wěn)定地追蹤最大功率，建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。最后，采用MPPT控制得到的光伏發(fā)電系統(tǒng)的多組輸出數(shù)據(jù)求解數(shù)學(xué)期望，將期望值經(jīng)理想化無損逆變后送入改造的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，采用牛頓—拉夫遜法進(jìn)行潮流計算，得到改造的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；最大功率；建模仿真；潮流計算

隨著傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭以及人類對環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，找到一種無污染的可再生能源作為傳統(tǒng)化石能源的替代品顯得尤為迫切。太陽能光伏發(fā)電是一種清潔高效的發(fā)電方式，其具有不受地面布局和高度落差等地理因素的影響，電能轉(zhuǎn)換過程簡單，無廢棄污染物排放的特點(diǎn)，從而應(yīng)用廣泛[1]。

太陽能光伏發(fā)電主要是利用太陽能電池板的光生伏打效應(yīng)進(jìn)行光能與電能的轉(zhuǎn)換[2]。光伏陣列的輸出特性（電壓、電流、功率）會隨外界環(huán)境因素的改變而改變。其中，光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度這兩個因素對輸出特性的影響較大。因此，建立光伏陣列的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，能夠分析得到隨著外界條件的改變，光伏陣列的輸出特性變化的規(guī)律，進(jìn)而在一定的MPPT系統(tǒng)下實現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，使光伏陣列輸出最大功率。

1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型及MPPT控制

1.1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型

1.2 最大功率追蹤

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列的輸出功率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還與外界環(huán)境如光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載等主要干擾因素有關(guān)。而光伏陣列無論外界條件怎樣變化，都能始終工作在最大功率附近的過程就叫作最大功率點(diǎn)跟蹤。因此，本文重點(diǎn)研究環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度對光伏陣列輸出功率的影響。由于光伏陣列的輸出功率與環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系，而且光伏陣列的工作點(diǎn)會隨著負(fù)載電壓的變化而變化。MPPT的作用就是采用DC-DC直流變換電路和尋優(yōu)控制程序，使得無論外界條件怎樣變化，始終讓光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近，得到最大輸出功率。其中使用位于光伏陣列與負(fù)載之間的DC-DC直流變換電路的目的是進(jìn)行負(fù)載匹配，通過改變直流變換電路中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就能對光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行調(diào)配，使系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)，輸出最大功率。

2 建模與仿真

2.1 光伏陣列的建模與仿真

本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行Simulink模型搭建，該模型包括四大部分，分別是光伏陣列模塊，DC-DC直流變換電路模塊，PWM脈沖寬度調(diào)制模塊，MPPT控制模塊，如圖2所示。對于光伏陣列模塊，首先根據(jù)式（1），運(yùn)用Matlab邏輯運(yùn)算搭建光伏陣列模塊，在建模過程中，對光伏陣列的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可行的簡化[5-6]，再使用Matlab子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，其中封裝的光伏陣列模塊為三端輸入一端輸出，輸入量為：T，S，V，分別表示環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、光伏陣列的工作電壓，模型的輸出為電流Iph。采用階躍輸入信號來近似模擬光照強(qiáng)度S和環(huán)境溫度T的變化，取多組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，然后分別采集光伏陣列在未經(jīng)MPPT反饋控制系統(tǒng)的輸出電流I0、電壓U0和功率P0及經(jīng)MPPT反饋控制后系統(tǒng)的輸出電流I1、電壓U1和功率P1。仿真結(jié)果如圖3所示，其中圖3（a）是光伏發(fā)電系統(tǒng)在無MPPT控制的情況，輸出功率的仿真曲線存在很大的波動，振蕩持續(xù)時間長，振蕩幅度很大，造成系統(tǒng)能量損失較大。圖3（b）是光伏發(fā)電系統(tǒng)在經(jīng)過MPPT控制后系統(tǒng)的輸出功率仿真圖，圖像表明輸出功率的波動很小，曲線較為光滑，跟蹤迅速，造成系統(tǒng)的能量損失較小。

根據(jù)以上的仿真分析表明，本文所搭建的光伏陣列模型和光伏發(fā)電系統(tǒng)模型能夠較為準(zhǔn)確地實現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，輸出功率最大，并且輸出的仿真波形光滑，波動小，能量損耗小。

2.2 光伏系統(tǒng)的潮流計算

本文把經(jīng)過MPPT系統(tǒng)控制所得到的光伏陣列的多組數(shù)據(jù)取期望后，采用理想化方式，通過逆變器經(jīng)無損逆變之后送入改造的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，如圖4所示。

上述的逆變器包括逆變橋和交流電路。由于采用理想化方式，交流電路進(jìn)行了π型等值變換，如圖5所示。

然后，根據(jù)上述公式，應(yīng)用Matlab進(jìn)行編程，并將光伏電源作為PQ節(jié)點(diǎn)處理，并假定有功功率時變，無功功率為零，也就是將光伏電源看成是一個變化的有功負(fù)荷，然后采用牛頓—拉夫遜法計算含光伏節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)潮流[7]，結(jié)果如表1所示。

3 結(jié)語

本文在對光伏陣列的等值電路和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)造的基礎(chǔ)上，采用INC算法，建立了含MPPT的光伏陣列的Simulink模型，并進(jìn)行了仿真分析，此模型能夠反映實際系統(tǒng)的相關(guān)特性，較好地實現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的穩(wěn)定和追蹤。然后采用MPPT控制所得到的光伏陣列數(shù)據(jù)經(jīng)無損逆變帶入改造的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，采用牛頓—拉夫遜法進(jìn)行含光伏節(jié)點(diǎn)的電力系統(tǒng)潮流計算[8-9]，可以得到改造的IEEE14節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

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