光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模

劉光亞，康 璐

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

1 一般拓?fù)鋵W(xué)的光伏發(fā)電系統(tǒng)

連接太陽(yáng)能電池板的方法有多種，可以直接連接到電網(wǎng)或負(fù)載本身.光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用確定轉(zhuǎn)換器的接口類型.這取決于其配置、成本與應(yīng)用目標(biāo).在單級(jí)配置中（圖1），實(shí)現(xiàn)光伏陣列接口到電網(wǎng)的是DC／AC逆變器.DC／AC逆變器的功能是提高光伏電壓，跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，并控制注入到電網(wǎng)的電流.

圖1 單級(jí)DC／AC光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在另一側(cè)，圖2中所示的是雙級(jí)配置構(gòu)成的DC／DC和DC／AC逆變器連接到電網(wǎng)的光伏陣列.

圖2 雙級(jí)DC／DC和DC／AC光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文中所研究的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是關(guān)于光伏系統(tǒng)的.它包含升壓轉(zhuǎn)換器和電阻升載.升壓轉(zhuǎn)換器與控制器應(yīng)用于最大功率點(diǎn)，用來跟蹤最大功率點(diǎn)的PV的MPPT.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3.它允許最大功率點(diǎn)控制方法和性能的PV，以實(shí)現(xiàn)在不同的溫度、輻照度和負(fù)載的最大功率.

圖3 PV與升壓轉(zhuǎn)換器和阻性負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 是一個(gè)三相阻性負(fù)載的光伏系統(tǒng).在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，光伏陣列是能量來源，DC／DC升壓轉(zhuǎn)換器調(diào)整直流母線電壓、跟蹤的最大功率和提高的PV電壓；DC／AC逆變器注入交流電到負(fù)載.

圖4 拓?fù)潆p級(jí)三相阻性負(fù)載的光伏系統(tǒng)

2 光伏陣列模型

2.1 光伏陣列的I－V特性

圖5和圖6顯示當(dāng)前PV面板的電壓（IV）特性.這曲線是非線性的，關(guān)鍵是依賴太陽(yáng)能照射所得到的溫度.在圖5中，當(dāng)照射增加，電流增大，電壓和功率的最大功率點(diǎn)（MPPT）也會(huì)發(fā)生變化.

圖5 PV輻射功能的I－V特性

圖6 示出電流與溫度的變化，電流變化小于電壓.

圖6 PV溫度的I－V特性

因此，存在于IV曲線的動(dòng)態(tài)點(diǎn)稱作最大功率點(diǎn).整個(gè)光伏系統(tǒng)，其最大輸出功率輸出如圖7所示.因?yàn)樽畲蠊β庶c(diǎn)的位置未知，使用計(jì)算模型和搜索算法，以維持PV陣列功能標(biāo)記在MPPT.

圖7 I－V曲線，P－V曲線的 MPPT

2.2 光伏電池的型號(hào)

光伏電池利用半導(dǎo)體p－n將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能.為建立太陽(yáng)能電池模型，需評(píng)估不同因素作用下的太陽(yáng)能電池板，并參考由制造商在數(shù)據(jù)表中所給出的性能特點(diǎn).一組串聯(lián)和并聯(lián)連接形成一個(gè)光伏陣列的光伏組件.因此，光伏陣列的數(shù)學(xué)模型利用PV電池的等效電路來實(shí)現(xiàn).

一個(gè)PV電池通常由一個(gè)二極管，電阻串聯(lián)Rs和并聯(lián)電阻Rp構(gòu)成（圖8）.

圖8中，IPh為太陽(yáng)能電池（A）電流所產(chǎn)生的；RS為串聯(lián)電阻（Ω）；RP為并聯(lián)電阻（Ω）；GA為太陽(yáng)光輻照度（W／M2）；T為電池溫度（K）；ID為二極管電流（A）；I為PV值的輸出電流（A）；V為輸出電壓（V）.

圖8 二極管太陽(yáng)能電池的等效電路

2.3 光伏陣列

光伏陣列由幾個(gè)互連光伏模塊組成.建模過程是從PV電池到PV模塊.從數(shù)據(jù)表中使用相同的參數(shù).為了獲得所需要的功率，電壓和電流、光伏模塊關(guān)聯(lián)的串聯(lián)和并聯(lián)、串聯(lián)連接和并聯(lián)連接的模塊的數(shù)目必須計(jì)算.圖9示出了光伏陣列，其中包括多個(gè)模塊的并聯(lián)和串聯(lián)連接.Nser是串聯(lián)模塊的總數(shù)量，Npar是并聯(lián)模塊的數(shù)量.模塊的數(shù)目修正并聯(lián)和串聯(lián)電阻的電阻值.等效電阻系列和電阻并聯(lián)的光伏陣列的是：

圖9 光伏陣列Nser＊Npar模塊

然后擴(kuò)展光伏組件的光伏陣列直流電壓之間的關(guān)系，新的光伏陣列的直流電壓的關(guān)系計(jì)算：

上式中Io，IPV，VT的光伏模塊使用相同的參數(shù).對(duì)于任何給定的陣列，形成相同的模塊，此方程是有效的.

光伏陣列將以這個(gè)方程進(jìn)行模擬，模擬電路必須包括模塊串聯(lián)和并聯(lián)數(shù).圖10所示為電路模型的光伏陣列.

圖10 光伏陣列的模型結(jié)構(gòu)

3 MPPT控制器控制的升壓轉(zhuǎn)換器

3.1 最大功率點(diǎn)的光伏技術(shù)

從光伏模塊的IV和PV曲線得知，有一個(gè)唯一最大功率（MPPT）點(diǎn).這點(diǎn)有最大功率點(diǎn)（MPPT）的最優(yōu)電壓VMPP和最佳電流IMPP.在這一點(diǎn)上，整個(gè)光伏系統(tǒng)應(yīng)具有最大工作效率，并產(chǎn)生其最大輸出功率.

太陽(yáng)能電池的IV特性隨照射和溫度的變化是非線性的.MPPT的位置是未知的，需要探明定位.不同的MPPT方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn).他們有不同的復(fù)雜性，所需的電壓或電流，運(yùn)行速度，成本，有效性和執(zhí)行硬件的傳感器各不相同［1］.

三大類MPPT算法是基于模型的算法，訓(xùn)練算法和搜索算法.

3.2 基于模型的MPPT算法

MPPT計(jì)算短路電流的方法是基于PV短路電流，這是近似線性關(guān)系中所示的電流的最大功率點(diǎn)的周期性測(cè)量：

在實(shí)驗(yàn)中，k2是0.78和0.92之間的一個(gè)常數(shù).一旦常數(shù)k2是已知的，可計(jì)算IMPP.光伏陣列需要，定期測(cè)量電流Isc是短路電流.

分式的開路電壓是根據(jù)它的開路電壓Voc在最大功率VMPP與陣列的電壓之間的線性關(guān)系：

k1是0.71和0.78之間的一個(gè)常數(shù).Voc需關(guān)閉功率轉(zhuǎn)換器來測(cè)量.

這些方法的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，便宜，但由于過度的功率損耗，PV的效率是非常低的，因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確的確定的常數(shù)k1和k2.功率損耗由測(cè)量時(shí)必須打開和關(guān)閉的電路造成［2］.

MPPT搜索算法都基于所述PV模塊的輸出電壓和電流的測(cè)量.然后，它計(jì)算光伏功率，并確定是否需要增加或減少控制參數(shù).控制參數(shù)可以是控制器的參考信號(hào)（電壓或電流），或者它可以是切換信號(hào)的DC／DC轉(zhuǎn)換器的占空比.

MPPT搜索算法的優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)的，它不需要之前PV模塊特性的知識(shí).但是，它要正確地連接電容器，開關(guān)頻率和在改變控制變量時(shí)使用的步長(zhǎng)大小.MPPT算法的性能，由這些參數(shù)所影響.MPPT算法的方法是擾動(dòng)觀察（P＆O），爬山和增量電導(dǎo)法.

4 DC／DC變換器

DC／DC的主要目的，是從PV的DC輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)較高的直流輸出.最大功率點(diǎn)跟蹤器使用調(diào)整光伏電壓的DC／DC轉(zhuǎn)換器的最大功率點(diǎn).升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于加強(qiáng)低電壓輸入的PV.升壓型轉(zhuǎn)換器的步驟是PV電壓到高電壓的逆變器所必需的.

圖11顯示了升壓轉(zhuǎn)換器.直流輸入電壓是充當(dāng)一個(gè)電流源與電感器L串聯(lián).開關(guān)T通過導(dǎo)通和關(guān)閉，定期從電感器和電源提供能量，用來增加平均輸出電壓.升壓轉(zhuǎn)換器的電壓比是在切換期間電感電壓對(duì)時(shí)間積分等于零.電壓之比相當(dāng)于開關(guān)的開關(guān)周期的關(guān)斷時(shí)間的比率［3］：

電容器Cdc足以保持一個(gè)恒定的輸出電壓，并且當(dāng)開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)電感器提供能量，負(fù)載兩端的電壓升壓.

圖11 Boost升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MPPT控制器的占空比控制升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān).它由一個(gè)柵極信號(hào)來接通，通過脈沖寬度調(diào)制關(guān)斷的開關(guān).圖12顯示了DC／DC升壓轉(zhuǎn)換器的理想開關(guān)打開.

圖12 升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖

在圖13中，開關(guān)T1和D1是關(guān)閉的，該電路被分成兩個(gè)不同的部分：電源充電器的電感器在左邊，而右邊的電容器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)之前和維持能源傳輸電壓通過.電感器L的電流逐漸增加.

圖13 T1開D1關(guān)

在圖14中，開關(guān)T1關(guān)閉，D1打開，伴隨著DC源的能量存儲(chǔ)在電感器中，將有助于補(bǔ)充電源的電路，將會(huì)為右側(cè)輸出電壓的升壓提供能量.然后，電感器電流逐漸減小.如果控制開關(guān)順序，輸出電壓可以維持在特定的水平.

圖14 T1關(guān)D1開

當(dāng)開關(guān)T1被導(dǎo)通，VL中的描述，可以表示為

當(dāng)T1開D1關(guān)：

作一個(gè)近似假設(shè)：VO≈Vo和IL≈I，在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)下，圍繞一個(gè)特定的時(shí)間過程中的時(shí)間積分的積分電壓為零：

等同于零后，將輸出的電壓

假設(shè)無損電路引腳功率輸出

可以看出，輸出電壓隨D的增大而增加.理想的升壓轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生任何比輸入電壓大的輸出電壓.

5 DC／AC逆變器的分析

六步的逆變器是用于獲取從直流電源的三相電壓輸出.三相電壓源逆變器的組合，三個(gè)單相橋電路.圖15為一個(gè)基本的三相逆變器橋的簡(jiǎn)化框圖.連接到主電源設(shè)備中的反并聯(lián)的二極管.這些二極管被稱為回流電流或反饋二極管.它提供了一個(gè)備用路徑的感應(yīng)電流.

若要獲得六步逆變器的三相交流電流，6個(gè)門控信號(hào)需要被施加到逆變器的6個(gè)開關(guān).產(chǎn)生對(duì)稱三相負(fù)載的兩端電壓的設(shè)備被切換為180°.相對(duì)于相鄰的臂，每個(gè)逆變器臂的開關(guān)信號(hào)移位120°.開關(guān)信號(hào)S1和S4是相同的，S3和S6、S5和S2也相同.

圖15 三相六步逆變器

切換 順 序 將 S1S2S3，S2S3S4，S3S4S5，S4S5S6，S5S6S1，S6S1S2，S1S2S3，正序.若順序顛倒，則得到負(fù)序.中性線電壓Van代表了6個(gè)步驟的逆變器.Vbn的和Vcn相差120°有著相同的波形.超過輸出分量的三相逆變器的控制可以實(shí)現(xiàn).通過改變直流母線電壓（Vdc），

與電網(wǎng)連接的PV，將被引入到電網(wǎng)的電壓源逆變器的電流輸出.逆變器的輸出應(yīng)該使在相位和電網(wǎng)的電壓具有相同的頻率.

6 總結(jié)

在本文中，理論上光伏數(shù)學(xué)模型的PV已經(jīng)表示出來.也介紹了DC－DC升壓轉(zhuǎn)換器，最大功率點(diǎn)控制器和阻性負(fù)載的光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì).光伏面板的模擬顯示，因?yàn)閿?shù)據(jù)表中給出的相同的特性，模型可準(zhǔn)確地模擬電流、電壓的特性，以確定電壓、電流.此外，當(dāng)光輻照度或溫度變化時(shí)光伏模型輸出電壓和電流隨之變化.在模擬最大功率點(diǎn)的PV中，升壓轉(zhuǎn)換器和電阻性負(fù)載通過改變負(fù)載、輻照度和溫度進(jìn)行.

［1］ 孟汝佳，韓曉琴.并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的最優(yōu)控制及仿真研究，Probabilistic methods applied to power systems［R］.新加坡：2010年IEEE第11屆國(guó)際會(huì)議，2010.

［2］ Esram T，Chapman P L.Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22（5）：439－449.

［3］ Mohan N，Robbin W P，Undeland T.Power electronics：converters，applications，and design［R］.New York：2nd Edition，Wiley，1995.