基于MATLAB的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計與仿真

朱永丹 向丹鳳

摘要：隨著傳統(tǒng)能源的衰竭，分布式系統(tǒng)電源接入配電網(wǎng)（DG）的作用和意義十分巨大，能夠改善現(xiàn)今能源緊張的局面，但也給配電網(wǎng)的管理和控制引入了新的問題。文章主要研究和分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)基本工作原理，進(jìn)而搭建相應(yīng)的仿真模型，借助MATLAB針對構(gòu)建的系統(tǒng)模型予以驗證。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;MATLB;MPPT算法

中圖分類號：TM615? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著電力需求的日益增長，傳統(tǒng)能源日漸衰減，并引發(fā)了全球氣候變暖以及環(huán)境污染等問題，可再生能源的運用得到重視，例如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等。分布式系統(tǒng)電源接入配電網(wǎng)（DG）的作用和意義十分巨大，在改善現(xiàn)如今能源緊張局面的同時，也給配電網(wǎng)帶來了新問題，包括增大短路電流、加大繼電保護(hù)的復(fù)雜程度、影響網(wǎng)絡(luò)的供電可靠性以及加劇電能質(zhì)量的惡化等。文章以光伏發(fā)電為例，借助MATLAB來針對系統(tǒng)進(jìn)行建模，并基于MPPT常見算法進(jìn)行優(yōu)化、仿真，為后續(xù)接入配電網(wǎng)提供基礎(chǔ)[1]。

1? 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1? 光伏效應(yīng)

當(dāng)太陽能表面存在光直接照射時，界面光電子將吸收光輻射出來的能量，同時處于共價態(tài)的N型硅和P型硅將處于激發(fā)狀態(tài)，并最終生成電子對。對于處在界面層的空穴和電子，它們實現(xiàn)復(fù)合以前需要借助電荷電場作用進(jìn)而出現(xiàn)分離情況，此時電子以及空穴從N區(qū)朝著P區(qū)移動，因為在界面層存在電荷分離的作用和影響，進(jìn)而使得P區(qū)連同N區(qū)里面生成了電勢能，能夠進(jìn)行電壓檢測。在此種情況下，將硅片兩側(cè)電極和電壓表進(jìn)行連接，大多數(shù)硅晶體太陽能電池電壓一般為0.5～0.6 V。隨著光照的出現(xiàn)，電子和空穴數(shù)量將在界面層不斷提升，此作用的效果便是導(dǎo)致電流值不斷提升。若被吸收的光能不斷提升，則界面層對應(yīng)電池面積將逐漸增大，此時在太陽能電池里面將產(chǎn)生更大的電流。

1.2? 原理及結(jié)構(gòu)

從原理層面來看，光伏發(fā)電主要是借助半導(dǎo)體材料自身的特性，即在金屬表面存在光照，這時金屬表面的電子將吸收這些能量。電子吸收的能量大到一定程度時，就能克服金屬內(nèi)力做功。此時金屬表面電子將溢出，我們通常將這些遷移的電子稱作光電子。硅原子通常包含的外層電子有四個，如果將五價元素磷引入純硅里面，那么此時將形成N型半導(dǎo)體。而在純硅中摻入三價元素硼，則將形成P型半導(dǎo)體。N型和P型參雜在一起的情況下，在接觸面將存在電動勢能，進(jìn)而構(gòu)成太陽能電池。如果在P-N結(jié)面上存在太陽能照射，那么空穴將從P區(qū)朝著N區(qū)流動，最終構(gòu)成電流。

從結(jié)構(gòu)上來看，光伏發(fā)電主要包含電能轉(zhuǎn)換設(shè)備以及光伏電池兩個核心部分，工作原理是光伏電池吸收太陽能進(jìn)而轉(zhuǎn)變成為電能，實現(xiàn)電流和電壓的輸出，最終進(jìn)入MPPT里面予以控制，針對最大功率點進(jìn)行跟蹤。同時借助輸出脈寬來針對占空比進(jìn)行調(diào)整，從而經(jīng)過產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動直流斬波器，最后輸出的電壓為所需負(fù)載供電[2]。

2? 光伏發(fā)電的影響

2.1? 功率穩(wěn)定性

從功率穩(wěn)定性方面來看，太陽能光譜將對光伏發(fā)電穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，此外，還有如下幾個方面因素（主要包含陰影、電池結(jié)構(gòu)、環(huán)境溫度以及光照強(qiáng)度等）對輸出功率穩(wěn)定性造成影響。

2.1.1? 光照強(qiáng)度

通常情況下，若光照強(qiáng)度值越大則代表光伏電池能夠產(chǎn)生的輸出功率越高，如若氣候因素使得光照強(qiáng)度出現(xiàn)巨大波動，此時系統(tǒng)輸出功率同樣會發(fā)生較大變化。

2.1.2? 溫度

光伏電池溫度提升，工作效率將降低。溫度每升高1 ℃，其對應(yīng)的每塊光電池的電流增量大約是1%;溫度上升1 ℃，系統(tǒng)輸出功率通常就會降低40%。如果光伏電池自身使用的材料存在差異，那么材料溫度系數(shù)也將不同，功率穩(wěn)定性也就隨之變化。故而溫度系數(shù)是影響光伏電池功率穩(wěn)定性的因素之一。

2.1.3? 陰影

光伏組件上面存在的陰影將導(dǎo)致電池對應(yīng)輸出功率發(fā)生變化。故而需要降低陰影，清理組件表面的陰影物，避免熱斑效應(yīng)出現(xiàn)。如若將單個光電池覆蓋，將導(dǎo)致電池組輸出功率降低75%。由此可見，在場地選擇中應(yīng)將陰影作為重點考慮要素。

2.2? 諧波間諧波

作為發(fā)電并網(wǎng)十分關(guān)鍵的部分，逆變器的影響十分顯著。假如針對器件進(jìn)行頻繁操作，將產(chǎn)生諧波分量，進(jìn)一步對電網(wǎng)造成諧波污染。如若針對光伏發(fā)電輸出電流進(jìn)行調(diào)制，將出現(xiàn)簡諧波、交流側(cè)特征諧波以及非特征諧波等[3]。同時，為了能夠在不同濕度或者光照條件下實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率，一般會采用最大功率點跟蹤。然而跟蹤最大功率往往會導(dǎo)致直流側(cè)存在電壓波動起伏的情況，將促進(jìn)間諧波和側(cè)諧波出現(xiàn)。

3? 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型建立

3.1? 光伏電池

光伏電池的輸出特性與光伏表面太陽光照射的強(qiáng)度、電池材料及光伏電池的表面溫度等綜合條件有關(guān)系，其等效電路圖如圖1所示，Iph指的是光生電流，如若光伏電池處于工作狀態(tài)，光生電流是保持不變的。

Id代表的是光伏電池在短路情況下的對應(yīng)電流值。一般光生電流包含兩部分，一部分流經(jīng)正向偏置P-N結(jié)二極管，另一部分流過負(fù)載。圖1中Rs指的是串聯(lián)電路電阻，主要包含金屬電極電阻、半導(dǎo)體材料電阻以及接觸電阻。Rsh指的是旁路電阻，主要是由電池表面污染以及半導(dǎo)體晶體缺陷產(chǎn)生的漏電引起的。由等效電路圖寫出光伏電池方程式，如式（1）所示。

（1）

3.2? MPPT算法

MPPT算法能夠針對太陽能電池陣列等效阻抗進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而確保不同環(huán)境條件下光伏系統(tǒng)均能夠以峰值功率點運行。MPPT算法包含多種類型，即干擾觀測法、恒壓跟蹤法以及電導(dǎo)增量法。

3.2.1? 恒定電壓法（CVT）

光伏電池處于最大輸出功率運行狀態(tài)下的電壓一般是開路狀態(tài)對應(yīng)電壓值的0.7～0.9倍，那么可以借助特定阻抗變化確保系統(tǒng)構(gòu)成一個穩(wěn)壓器，即確保光伏系統(tǒng)工作電壓處在Vm附近區(qū)域。然而在溫度發(fā)生改變的情況下，光伏列陣對應(yīng)工作電壓同樣會發(fā)生改變，故CVT算法會導(dǎo)致功率出現(xiàn)損失，尤其是在溫度大幅度提升的情況下，系統(tǒng)設(shè)定工作電壓和光伏列陣輸出伏安曲線之間不會存在交叉點，現(xiàn)如今，CVT算法已經(jīng)被其他更優(yōu)異的算法所取代。

3.2.2? 擾動觀測法

一般情況下，光伏組件的P-V曲線是以最大功率點為峰值的單峰曲線，利用一定周期內(nèi)對光伏組件電壓進(jìn)行擾動，對比擾動后光伏組件輸出功率變化趨勢的電壓調(diào)整方向。該算法在追蹤過程中使用了微分原理，以?P/?V代表dP/dV，如若dP/dV=0情況下，即代表跟蹤的對應(yīng)輸出功率為最大值點位。從本質(zhì)層面看，擾動觀察法主要是針對占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持系統(tǒng)的高功率輸出狀態(tài)。這種方法結(jié)構(gòu)簡單、被測參數(shù)少、容易步長選取不合適，進(jìn)而導(dǎo)致輸出功率在最大位置附件徘徊，最終使能源浪費。此外，在環(huán)境發(fā)生改變的情況下，會存在誤判的可能[4]。

3.2.3? 電導(dǎo)增量法

從原理層面來看，擾動觀察法和電導(dǎo)增量法是一致的，都是通過改變電壓來觀察功率再確定電壓的下一步調(diào)整方向，但對功率的求導(dǎo)算法不同，算法為：

（2）

當(dāng)光伏電池工作在最大功率點時，功率對電壓導(dǎo)數(shù)為0，即：

從數(shù)學(xué)層面來看，借助擾動觀測法用dP來表示功率差值△P，但是從增量電導(dǎo)法的思維角度則是借助dP表示功率全微分VdI+IdV。由此可見，相對前者增量電導(dǎo)法更加精細(xì)準(zhǔn)確，因此本文采用電導(dǎo)增量法。

4? 系統(tǒng)設(shè)計與仿真

經(jīng)過前文內(nèi)容分析，構(gòu)建模型如圖2如示。

由圖2可知，光伏陣列等效電路封裝在PV模塊中，采用電導(dǎo)增量法的MPPT控制算法則保存在工作空間的PV-MPPT.m文件，且封裝在MPPT模塊中。當(dāng)太陽輻射為800 W/m2時，MPPT控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出曲線如圖3所示，其PWM占空比輸出曲線如圖4所示。

由圖3可以看出，采用電導(dǎo)增量法實現(xiàn)MPPT功能能夠使光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出快速地穩(wěn)定在最大功率點附近，且系統(tǒng)響應(yīng)沒有超調(diào)，能夠獲得很好的動態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)實現(xiàn)MPPT功能時，PWM占空比維持在35%～38%之間。

當(dāng)太陽輻射從400 W/m2升至800 W/m2時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出曲線如圖5所示。仿真過程中，光照變化的時間設(shè)定為10 s。

根據(jù)圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照產(chǎn)生變化時對應(yīng)輸出功率同樣產(chǎn)生改變。

太陽輻射強(qiáng)度為400 W/m2時，系統(tǒng)穩(wěn)定后的功率輸出為40 W。太陽輻射強(qiáng)度突變至800 W/m2時，15 s后，系統(tǒng)的輸出功率上升至最大，為70 W。

由上可見，采用相關(guān)電導(dǎo)增量MPPT算法后，在太陽輻射強(qiáng)度發(fā)生波動的情況下，即便處于不同環(huán)境里面，光伏發(fā)電系統(tǒng)依舊能夠快速跟蹤到。

（責(zé)任編輯：侯辛鋒）

參考文獻(xiàn)：

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[2]桑靜靜，趙慶生，何志方.光伏并網(wǎng)對配電網(wǎng)電壓及網(wǎng)損的影響[J].可再生能源，2013（4）：11-14，19.

[3]楊艷芳.分布式電源并網(wǎng)后配電網(wǎng)調(diào)壓問題的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2008.

[4]劉磊，江輝，彭建春.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓分布的影響[J].計算機(jī)仿真，2010（4）：279-283.