基于MATLAB并聯(lián)光伏電站的建模與仿真*

劉明輝，邵振華，陳誠

（1.廈門明翰電氣股份有限公司，福建 廈門3611101；2.閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，福建 福州350108）

1 引言

隨著社會發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題引起了人們的重視，在不可再生資源短缺和生態(tài)環(huán)境日益惡化的情況下，清潔能源在能源利用和生態(tài)保護(hù)的地位逐漸凸顯出來。太陽能是我們最常見的清潔能源之一，它能利用太陽光產(chǎn)生電能，即太陽能光伏發(fā)電。光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽浜诵牟考翘柲茈姵亍４竺娣e太陽電池組件和功率控制器等共同構(gòu)成了光伏發(fā)電系統(tǒng)，其安全性高、應(yīng)用范圍廣、污染小、不需要消耗燃料和架設(shè)輸電線路，能夠?qū)崿F(xiàn)就地發(fā)電與供電[1]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主要由太陽能電池板、控制器與逆變器三大部分組成，其耐久力好，穩(wěn)定性高，能夠簡單實(shí)現(xiàn)其安裝和維護(hù)[2]。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)能滿足各種用電場合需要，已經(jīng)被人們應(yīng)用到科技、生活的各個方面。

為進(jìn)一步研究光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模展開討論。目前，科研人員已對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3]根據(jù)光伏電池材料的不同建立了單二極管與雙二極管的機(jī)理模型；文獻(xiàn)[4]通過對含有逆變器的分布式電源進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)對于不同種類的分布式電源的外特性具有較好的擬合性，但是在不同分布式電源下其模型的參數(shù)有較大差異；文獻(xiàn)[5]對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)建模，建立的模型比較復(fù)雜，仿真過程較長，不適用于大電網(wǎng)仿真。為繼續(xù)優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，本文利用MATLAB對其進(jìn)行仿真，得到一個參數(shù)較少、結(jié)構(gòu)簡單的模型，建模過程簡單并且能直觀地呈現(xiàn)出復(fù)雜的光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)動特征。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與接線方式

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、充放電控制器、儲能電池組、交流配電柜，太陽跟蹤控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中：

發(fā)電電池陣列工作原理是在有光線或光照條件下電池通過吸收光能，在電池兩端積累正負(fù)電荷而產(chǎn)生的“光生伏特效應(yīng)”，進(jìn)而電池兩端產(chǎn)生的電動勢差將光能轉(zhuǎn)化成電能，完成能量的轉(zhuǎn)換。常見的太陽能電池有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。

逆變器是將直流電變換成交流電的設(shè)備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負(fù)載是交流負(fù)載時，逆變器則必不可少。逆變器按運(yùn)行的方式分為獨(dú)立運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行的逆變器，獨(dú)立運(yùn)行的逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的負(fù)載供電，而并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。

并網(wǎng)光伏發(fā)電就是將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)的電網(wǎng)系統(tǒng)連接，共同為用戶供電。因?yàn)榫哂心苤苯訉a(chǎn)生的電能輸入電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，光伏并聯(lián)系統(tǒng)中的電網(wǎng)可以取代蓄電池，從而減小了能量損耗，降低了成本。對于獨(dú)立運(yùn)行的太陽能光伏發(fā)電站，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以始終保持最大功率運(yùn)行，提高太陽能發(fā)電效率，且其廣泛且分散的分布能解決當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨螅瑴p小了電網(wǎng)的傳輸和分配負(fù)擔(dān)。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的接線方式

圖1為并網(wǎng)光伏電站電氣連接框圖，假設(shè)光伏陣列處于穩(wěn)定的工況下，此時光伏系統(tǒng)輸出最大功率值以及直流端的MPP工作電壓為一定值。在建模時，光伏陣列可以等效為電流源，設(shè)定光伏系統(tǒng)的最大功率Pmax；直流端等效為直流電壓源，設(shè)定其電壓幅值udc=800 V。其他主要參數(shù)設(shè)定如下：無功功率控制目標(biāo)值Qref=0var；濾波電感 ；并網(wǎng)線電壓Ugrid=380 V。

圖1 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)電氣連接框圖

3 MATLAB光伏建模與仿真

3.1 軟件介紹

MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于數(shù)據(jù)分析、圖像處理、信號處理和數(shù)據(jù)可視化等領(lǐng)域，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是Matrix&Laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是由美國Mathworks公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高級計(jì)算環(huán)境；Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，其提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。MATLAB高效的數(shù)值計(jì)算及符號計(jì)算，能極大程度簡化建模過程，輕松的構(gòu)建出復(fù)雜的模型系統(tǒng)并進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。

3.2 建模步驟

⑴ 打開MATLAB軟件，進(jìn)入其用戶界面；⑵ 點(diǎn)擊工具欄中Simulink Library的按鈕；⑶ 在Simulink庫瀏覽器的工具條上選擇“新建”按鈕，將打開一個空白的模型創(chuàng)建窗口；⑷ 接著在Simulink模塊庫中選擇模塊；⑸ 將找到的模塊拖拽到模型創(chuàng)建窗口，對其進(jìn)行連接；⑹ 對其設(shè)置完參數(shù)后，點(diǎn)擊運(yùn)行，可得仿真結(jié)果。

3.3 參數(shù)設(shè)定與運(yùn)行結(jié)果

見表1、表2、表3、表4及圖2、圖3、圖4、圖5、圖6。

圖2 PV Array圖

圖3 光伏電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 光伏發(fā)電特性曲線圖

圖5 濾波電感圖

圖6 運(yùn)行結(jié)果圖

表1 基本參數(shù)設(shè)定

表2 濾波參數(shù)設(shè)定

表3 無功補(bǔ)償器參數(shù)設(shè)定

表4 變壓器參數(shù)設(shè)定

4 總結(jié)

本文介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與接線方式，并基于MATLAB/Simulink提供的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境下，建立了并聯(lián)光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有參數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單、能夠模擬并聯(lián)光伏發(fā)電出力過程的特性，直觀反映運(yùn)行結(jié)果。