微电网中部分电源设备建模研究

殷玉丹等

摘要：微电网仿真研究需要准确的元件模型，其中重要的组成部分就是电源的选择，本文以两种光伏电池和燃料电池为例，对其建立了等效模型，模型简单且符合工程需求，该模型能对基于MATLAB进行仿真研究时提供参考。

关键词：微电网 电路模型 电源 建模

1 概述

随着微电网理论的研究深入，各国家地区示范项目增多，容量加大，微电网已成为今后电力系统发展的热潮。目前微电网理论和实验研究已经取得了很好的研究成果[1，3]。鉴于微电网系统的复杂程度，其中就包括了微电源的多样式选择，本文对部分微电源的建模方法进行了分析。以对基于MATLAB软件进行仿真研究提供参考。

2 光伏电池建模

光伏发电时根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。光伏发电成本过高，而且实际的光照等因素又复杂多变，所以计算机仿真模拟为实际研究提供了很好的便利。

光伏电池的等效模型如图1。各变量关系如下：

其中Iph为光生电流，与光伏电池的面积以及入射光所能辐射到的角度成正比关系。ID为暗电流，即在无光照的条件下，由外电压作用下PN结内流过的单向电流，其大小反映在当前环境温度下光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。IL为光伏电池输出时负载经过的电流大小。Uoc则为开路电压。RL是负载上的电阻，Rs是串联电阻，Rsh是旁路电阻。I0是光伏电池本身内部存在的可等效的二极管PN结的反向饱和电流，与电池材料自身的性能有关，反映了光伏电池对光生电子载流子最大的复合能力，是一个常数，不受光照强度的影响；Isc为短路电流，即将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出短路时流过光伏电池两端的电流；UD为等效二极管的端电压；q为电子电荷；k为玻尔兹曼常量；T为热力学温度；A为PN结曲线常数。

以上的分析中可以发现有很多不确定因素，这些因素在很大程度上影响了物理模型的精确性，使得物理模型对实际电池的模拟存在较大局限性，也限制了其在实际工程以及仿真研究中的应用。除了根据等效模型建立的关系式，也可以根据神经网络建立模型，或是根据工程需要提出的简便数学模型，即

其中需要光伏电池提供的四个很重要的技术参数分别是Isc，Voc，Im，Vm，从而在一定程度上精确复现光伏电池的一般特性。经观察发现，不论什么环境下，Isc，Voc，Im，Vm总是按照规律变化着，这对我们的研究工作提供了便利；那么就可以假设在补偿系数合理的情况下推算，就可以得出在光照S和温度T下的四个技术参数，如下：

补偿系数一般给定为a=0.0025/℃，b=0.0005/W/m2， c=0.00288/℃。

所以根据公式（2）和公式（3）可得出任意温度和光照下光伏电池的特性。在对比公式（1）所对应的数学模型，工程数学模型相对简单许多。根据公式只需要三个输入量在软件仿真下就可以得出结果。

3 燃料电池建模

燃料电池作为一种可直接将存储燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置而被广泛应用在很多场所中。由于其高效、节能、环保，成为了目前为止被热切关注的发电方式之一。燃料电池按其电解质的不同，可以被分为五大种类，其中固体氧化物燃料电池是一种被常用的电池种类，它又分为高温，中高温以及低温，这三种不同的固体氧化物燃料电池，在以后的仿真研究中以简化固体氧化物燃料电池的模型为主。燃料电池的运行特性受到温度、压力、电流密度等众多外界因素以及本身结构的影响，具有较强的非线性。在现有的很多模型中都具有很多不确定因素[4]。燃料电池在运行时存在输出电压随着输出电流的增大而减小的关系，而极化曲线就是反映这一关系的数学曲线。其等效图如图2。其输出电压的关系为：

在研究燃料电池时需要控制环节来保持输出功率的最大化，在仿真研究时也可以假设输出的功率是一定的，相对来说研究内容就简单许多。

4 结语

鉴于微电网的电源部分本身就是复杂多选择的，本文只是总结了光伏电池和燃料电池的等效模型以及数学关系式，从而给出了可以为仿真实验提供快速有效的计算方式。为仿真实验提供一定的选择。在软件仿真实验中，如何简单有效的模拟出实际发电状况是今后研究值得关注的问题。

参考文献：

[1]鲁相宗，侯文义.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：100-104.

[2]司传涛，杨艺云.光伏电池的建模与仿真研究[J].广西电力，2012，35（6）：15-17.

[3]草相芹，鞠平，蔡昌春.微电网仿真分析与等效化简[J].电力自动化设备，2011，31（5）：94-96.

[4]仲志丹，朱新坚，曹广益.基于模拟退火算法的燃料电池建模[J].电池，2006，36（5）：398-400.