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?，F(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?，只研究了光伏模組的不均勻光照情況，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 單個光伏電池的等效電路圖

單個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個輸入端和一個輸出端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可控電流源相連。

1.2 升壓轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)第二個子模塊為升壓轉(zhuǎn)換器，如圖3所示。該模塊含有5個端子，輸入電壓的正負(fù)極和輸出電壓的正負(fù)極和一個控制輸入端?？刂贫说?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特定的條件下都存在一個最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP），并且MPP會隨著溫度、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 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也會快速的跟隨光照強(qiáng)度的改變而改變。為了跟著MPP的移動，最大化系統(tǒng)的功率輸出，MPPT算法會根據(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，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，在光照從一個強(qiáng)度級別向另一個強(qiáng)度級別跳變時(shí)，系統(tǒng)功率輸出經(jīng)過一個很短的時(shí)間擾動過程后到達(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

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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