獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真研究

陳 勇 魏金成

（西華大學(xué)，成都 610039）

近年來，世界光伏電池年產(chǎn)量迅速增加，各國都在加大對新能源和可再生能源的支持力度，許多發(fā)達(dá)國家制定了光伏屋頂計(jì)劃，通過政府補(bǔ)貼和電價(jià)政策，鼓勵(lì)各種建筑物安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。隨著新能源的開發(fā)日益得到各國的重視，光伏發(fā)電也迎來了其蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。現(xiàn)在光伏發(fā)電面臨的主要問題是光伏發(fā)電效率偏低，在遮光情況下，PV系統(tǒng)的性能極易受到光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素的影響，且前期投入較大，這些問題一直制約著光伏發(fā)電的飛速發(fā)展[1]。為了提高光伏組件模型在遮光情況下的準(zhǔn)確性，國外學(xué)者 Kawamura等提出了一種雙二極管模型，但是該方法增加了多個(gè)模型參數(shù)[2]。GoW提出了一種數(shù)值計(jì)算方法，引入了新的模型系數(shù)增加了計(jì)算的負(fù)擔(dān)[3]。Alonso提出了一種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谎芯苛斯夥＝M的不均勻光照情況，沒有擴(kuò)展到光伏陣列[4]。國內(nèi)學(xué)者管笛和劉忠洋提出了一種新的太陽能電池陣列數(shù)學(xué)物理模型，提高了模型的精度，但沒有分析不均勻光照的影響[5]。本文在分析光伏電池模型的基礎(chǔ)上，建立獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)完整的Simulink仿真模型，驗(yàn)證光伏電池模型和算法的有效性。

1 仿真模型搭建

1.1 光伏電池模型

圖1 單個(gè)光伏電池的等效電路圖

單個(gè)光伏電池的等效電路圖如圖1所示，根據(jù)二極管特性和基爾霍夫定律有如下方程：

式中，Vd、IdAd、Isd分別為二極管 D的電壓、電流、影響因子和反向飽和電流；I、V為光伏電池的輸出電流和輸出電壓；q為電荷常數(shù)，其值為1.6× 10-19C；T為溫度，單位為K；k為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38× 1 0-23J/K ；Iph為光生電流；Rs、Rsh分別為等效串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻。在溫度為T光照強(qiáng)度為G時(shí)，光生電流Iph為

根據(jù)式（6）可搭建光伏陣列在 Simulink下的通用模型如圖2所示[6-9]。光伏陣列模型含有光照強(qiáng)度Irr、溫度Tmep和陣列輸出電壓Vpv3個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端Ipv（陣列流過的電流）。將Vpv反饋到陣列模型的輸入端是為了確定電池的二極管電流。陣列的電流輸出端表明光伏陣列是一個(gè)電流源，光生電流由太陽光照產(chǎn)生[4,10-11]。從獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體模型圖可以看出，光伏陣列的輸出端和一個(gè)可控電流源相連。

1.2 升壓轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)第二個(gè)子模塊為升壓轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。該模塊含有5個(gè)端子，輸入電壓的正負(fù)極和輸出電壓的正負(fù)極和一個(gè)控制輸入端。控制端的 PWM輸入用來控制IGBT的開斷，其中PWM由MPPT算法根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況產(chǎn)生。

1.3 蓄電池模型

在新能源系統(tǒng)中，用得最多的蓄電池時(shí)鉛酸電池。鎳鎘電池、鎳氫電池鋰和離子電池等對于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)來說價(jià)格太貴而且不方便?？紤]到電池的成本和特點(diǎn)，本文選用鉛酸電池作為系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件，蓄電池仿真模型如圖4所示。

圖2 光伏陣列模型

圖3 升壓直流轉(zhuǎn)換器模型

圖4 蓄電池模型

1.4 MPPT跟蹤模型

光伏電池的特性決定光伏電池在每個(gè)特定的條件下都存在一個(gè)最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP），并且MPP會(huì)隨著溫度、光照強(qiáng)度的改變而改變。最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)就是通過合理最大功率點(diǎn)跟蹤算法與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。通常，通過調(diào)整光伏電池的輸出電流或者光伏電池兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率輸出。其在 Simulink下的仿真模塊圖如圖5所示。

1.5 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

為了給交流負(fù)載供電和提高電能的質(zhì)量，給系統(tǒng)引入了逆變器和輸出濾波。整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 系統(tǒng)配置

本文仿真的光伏陣列由2行9列的光伏模組串并聯(lián)組成，系統(tǒng)的最大輸出功率為1080W。根據(jù)系統(tǒng)的輸出功率，確定蓄電池組由4行5列20個(gè)蓄電池組成，輸出電壓為48V，容量為925Ah。

圖5 最大功率點(diǎn)跟蹤模型

圖6 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)要提供有效值為220V頻率為50Hz的交流電為負(fù)載供電，根據(jù)系統(tǒng)的最大輸出功率，選取負(fù)載大小為1080VA，功率因素為0.8（滯后）。在光照強(qiáng)度為21kW/m時(shí)，直流升壓轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓近似等于 34.2V，其輸出端的電壓要和蓄電池組48V的標(biāo)稱值匹配。

2.2 系統(tǒng)仿真

如圖6所示，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器輸出端含有一個(gè) LC濾波器，濾波器電感值為50μH電容值為100μF，濾波器左端與逆變器并聯(lián)右端與變壓器并聯(lián)。變壓器輸出端與交流負(fù)載相連，為交流負(fù)載提供有效值為220V的工頻電壓。本節(jié)將仿真系統(tǒng)在環(huán)境溫度為25℃，光照強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)從逐步增加到，然后又從降低到時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

在光照強(qiáng)度劇烈變化的情況下，光伏系統(tǒng)的MPP也會(huì)快速的跟隨光照強(qiáng)度的改變而改變。為了跟著MPP的移動(dòng)，最大化系統(tǒng)的功率輸出，MPPT算法會(huì)根據(jù)天氣條件的變化改變系統(tǒng)的工作點(diǎn)。

當(dāng)光照條件穩(wěn)定不變，即系統(tǒng)MPP不變時(shí)，電壓電流值在MPP附近小范圍的波動(dòng)，保證系統(tǒng)一直工作在最大功率輸出狀態(tài)，輸出曲線如圖8所示。由圖可知，在光照從一個(gè)強(qiáng)度級別向另一個(gè)強(qiáng)度級別跳變時(shí)，系統(tǒng)功率輸出經(jīng)過一個(gè)很短的時(shí)間擾動(dòng)過程后到達(dá)最大功率輸出點(diǎn)，然后一直穩(wěn)定在最大功率輸出狀態(tài)直到下一次天氣條件的改變。

MPPT算法根據(jù)光照強(qiáng)度的變化，找出MPP的移動(dòng)方向，給出電壓的控制波形，控制直流轉(zhuǎn)換器從而調(diào)整系統(tǒng)的工作點(diǎn)。本例中MPPT算法產(chǎn)生的PWM控制波形如圖9所示。

圖10為蓄電池組兩端的電壓波形，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出功率能滿足負(fù)載需求時(shí)，系統(tǒng)給蓄電池充電，當(dāng)系統(tǒng)過載時(shí)蓄電池放電給負(fù)載供電，從而保證負(fù)載端電壓的穩(wěn)定。從圖可以看出，在環(huán)境條件的改變下，蓄電池不停的充放電，電壓一直維持在48V左右。

圖7 光照強(qiáng)度

圖8 光伏陣列輸出功率

圖9 MPPT控制信號(hào)

圖10 蓄電池組端電壓

逆變器的輸入端接蓄電池組，輸出端接輸出濾波器， LC濾波器將逆變器波形濾波后得到幅值為38V，頻率為50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。濾波器將得到的正弦波輸入到變壓器為交流負(fù)載供電，負(fù)載電壓波形如圖11所示。

圖11 負(fù)載兩端電壓

從逆變器、濾波器、變壓器和負(fù)載電壓的波形可以看出，天氣條件的變化給光伏陣列的輸出功率帶來了大幅的擾動(dòng)但是并沒有影響到系統(tǒng)負(fù)載端的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。從仿真結(jié)果可以看出，光伏陣列模型準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，特別是在天氣條件劇烈變化的情況下，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能快速準(zhǔn)確的跟蹤到系統(tǒng)的MPP。系統(tǒng)擾動(dòng)范圍小準(zhǔn)確度高，在光照強(qiáng)度不足的情況下，系統(tǒng)通過蓄電池組放電保證了系統(tǒng)負(fù)載端輸出的穩(wěn)定性，滿足了負(fù)載對電能質(zhì)量的要求。

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