独立光伏发电系统仿真研究

陈 勇 魏金成

（西华大学，成都 610039）

近年来，世界光伏电池年产量迅速增加，各国都在加大对新能源和可再生能源的支持力度，许多发达国家制定了光伏屋顶计划，通过政府补贴和电价政策，鼓励各种建筑物安装光伏发电系统。随着新能源的开发日益得到各国的重视，光伏发电也迎来了其蓬勃发展的新时期。现在光伏发电面临的主要问题是光伏发电效率偏低，在遮光情况下，PV系统的性能极易受到光照强度、温度等环境因素的影响，且前期投入较大，这些问题一直制约着光伏发电的飞速发展[1]。为了提高光伏组件模型在遮光情况下的准确性，国外学者 Kawamura等提出了一种双二极管模型，但是该方法增加了多个模型参数[2]。GoW提出了一种数值计算方法，引入了新的模型系数增加了计算的负担[3]。Alonso提出了一种实验模型，只研究了光伏模组的不均匀光照情况，没有扩展到光伏阵列[4]。国内学者管笛和刘忠洋提出了一种新的太阳能电池阵列数学物理模型，提高了模型的精度，但没有分析不均匀光照的影响[5]。本文在分析光伏电池模型的基础上，建立独立光伏发电系统完整的Simulink仿真模型，验证光伏电池模型和算法的有效性。

1 仿真模型搭建

1.1 光伏电池模型

图1 单个光伏电池的等效电路图

单个光伏电池的等效电路图如图1所示，根据二极管特性和基尔霍夫定律有如下方程：

式中，Vd、IdAd、Isd分别为二极管 D的电压、电流、影响因子和反向饱和电流；I、V为光伏电池的输出电流和输出电压；q为电荷常数，其值为1.6× 10-19C；T为温度，单位为K；k为波尔兹曼常数，其值为1.38× 1 0-23J/K ；Iph为光生电流；Rs、Rsh分别为等效串联电阻和并联电阻。在温度为T光照强度为G时，光生电流Iph为

根据式（6）可搭建光伏阵列在 Simulink下的通用模型如图2所示[6-9]。光伏阵列模型含有光照强度Irr、温度Tmep和阵列输出电压Vpv3个输入端和一个输出端Ipv（阵列流过的电流）。将Vpv反馈到阵列模型的输入端是为了确定电池的二极管电流。阵列的电流输出端表明光伏阵列是一个电流源，光生电流由太阳光照产生[4,10-11]。从独立光伏发电系统的总体模型图可以看出，光伏阵列的输出端和一个可控电流源相连。

1.2 升压转换器

系统第二个子模块为升压转换器，如图3所示。该模块含有5个端子，输入电压的正负极和输出电压的正负极和一个控制输入端。控制端的 PWM输入用来控制IGBT的开断，其中PWM由MPPT算法根据系统的运行状况产生。

1.3 蓄电池模型

在新能源系统中，用得最多的蓄电池时铅酸电池。镍镉电池、镍氢电池锂和离子电池等对于独立光伏发电系统来说价格太贵而且不方便。考虑到电池的成本和特点，本文选用铅酸电池作为系统的储能元件，蓄电池仿真模型如图4所示。

图2 光伏阵列模型

图3 升压直流转换器模型

图4 蓄电池模型

1.4 MPPT跟踪模型

光伏电池的特性决定光伏电池在每个特定的条件下都存在一个最大功率点（Maximum Power Point，MPP），并且MPP会随着温度、光照强度的改变而改变。最大功率点跟踪系统就是通过合理最大功率点跟踪算法与能量转换系统相结合来实现光伏电池的最大功率输出。通常，通过调整光伏电池的输出电流或者光伏电池两端的电压来实现光伏系统的最大功率输出。其在 Simulink下的仿真模块图如图5所示。

1.5 独立光伏发电系统仿真模型

为了给交流负载供电和提高电能的质量，给系统引入了逆变器和输出滤波。整个系统的仿真模型如图6所示。

2 系统仿真

2.1 系统配置

本文仿真的光伏阵列由2行9列的光伏模组串并联组成，系统的最大输出功率为1080W。根据系统的输出功率，确定蓄电池组由4行5列20个蓄电池组成，输出电压为48V，容量为925Ah。

图5 最大功率点跟踪模型

图6 独立光伏发电系统

考虑到系统要提供有效值为220V频率为50Hz的交流电为负载供电，根据系统的最大输出功率，选取负载大小为1080VA，功率因素为0.8（滞后）。在光照强度为21kW/m时，直流升压转换器输入端的电压近似等于 34.2V，其输出端的电压要和蓄电池组48V的标称值匹配。

2.2 系统仿真

如图6所示，独立光伏发电系统逆变器输出端含有一个 LC滤波器，滤波器电感值为50μH电容值为100μF，滤波器左端与逆变器并联右端与变压器并联。变压器输出端与交流负载相连，为交流负载提供有效值为220V的工频电压。本节将仿真系统在环境温度为25℃，光照强度在短时间内从逐步增加到，然后又从降低到时系统的运行情况。光照强度随时间的变化曲线如图7所示。

在光照强度剧烈变化的情况下，光伏系统的MPP也会快速的跟随光照强度的改变而改变。为了跟着MPP的移动，最大化系统的功率输出，MPPT算法会根据天气条件的变化改变系统的工作点。

当光照条件稳定不变，即系统MPP不变时，电压电流值在MPP附近小范围的波动，保证系统一直工作在最大功率输出状态，输出曲线如图8所示。由图可知，在光照从一个强度级别向另一个强度级别跳变时，系统功率输出经过一个很短的时间扰动过程后到达最大功率输出点，然后一直稳定在最大功率输出状态直到下一次天气条件的改变。

MPPT算法根据光照强度的变化，找出MPP的移动方向，给出电压的控制波形，控制直流转换器从而调整系统的工作点。本例中MPPT算法产生的PWM控制波形如图9所示。

图10为蓄电池组两端的电压波形，当系统发出功率能满足负载需求时，系统给蓄电池充电，当系统过载时蓄电池放电给负载供电，从而保证负载端电压的稳定。从图可以看出，在环境条件的改变下，蓄电池不停的充放电，电压一直维持在48V左右。

图7 光照强度

图8 光伏阵列输出功率

图9 MPPT控制信号

图10 蓄电池组端电压

逆变器的输入端接蓄电池组，输出端接输出滤波器， LC滤波器将逆变器波形滤波后得到幅值为38V，频率为50Hz的标准正弦波。滤波器将得到的正弦波输入到变压器为交流负载供电，负载电压波形如图11所示。

图11 负载两端电压

从逆变器、滤波器、变压器和负载电压的波形可以看出，天气条件的变化给光伏阵列的输出功率带来了大幅的扰动但是并没有影响到系统负载端的稳定。

3 结论

本文在Matlab/Simulink环境中搭建了独立光伏发电系统的仿真模型并对整个系统进行了仿真。从仿真结果可以看出，光伏阵列模型准确，系统运行情况良好，特别是在天气条件剧烈变化的情况下，系统响应速度快，能快速准确的跟踪到系统的MPP。系统扰动范围小准确度高，在光照强度不足的情况下，系统通过蓄电池组放电保证了系统负载端输出的稳定性，满足了负载对电能质量的要求。

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