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基于太陽能和電池的混合動力能源建模與仿真

由汽車引起的能源危機和環(huán)境污染日益突出，因此太陽能作為一種新型清潔能源引起了大量關(guān)注。采用一種新型的混合動力發(fā)電機的拓撲結(jié)構(gòu)，基于光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的直流耦合（DC-coupled）結(jié)構(gòu)電池，將代替高柴油燃料消耗和高能源成本的燃料電池。在所提出的系統(tǒng)中，光伏電源提供主要電源，電池作為瞬態(tài)電源，后者可以吸收和提供峰值電壓。

建立了由光伏電源和電池組成的混合動力能源系統(tǒng)的動態(tài)模型。如今，作為可再生能源的光伏發(fā)電發(fā)展越來越快。光伏發(fā)電的缺點是間歇性，很大程度上取決于天氣狀況。因此對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，為了得到一個穩(wěn)定、可靠的輸出電源，同時提高整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，需要電池的輔助。光伏電池的作用是為負荷提供能量，電池的作用是在瞬態(tài)工況（如加速過程）提供額外的功率，在制動工況回收能量。

提出了光伏/電池并網(wǎng)混合發(fā)電系統(tǒng)詳細的瞬態(tài)模型，并在Matlab/Simulink環(huán)境下對模型進行仿真。首先對光伏電池板和電池進行動態(tài)建模，太陽能電池的簡化等效電路由一個二極管和一個電流源并聯(lián)連接（圖1）。電池模型為一個電壓源和一個內(nèi)部電阻的等效電路（圖2）。

光伏電池組首先通過升壓載波電路連接到公共直流總線，同時電池也通過雙向直流變換器連接。直流總線與儲能單元之間的能量交換，主要包括加載模式、卸載模式和恢復(fù)模式。

采用擾亂觀察（P&O）MPPT算法確定光伏系統(tǒng)的最大功率點，最大功率點跟蹤技術(shù)幫助光伏陣列生成電網(wǎng)的最大功率序列，電池可以通過充電和放電來平衡電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)之間的能量平衡。不同情況下的模擬和結(jié)果驗證了模型和控制方案的有效性。

仿真結(jié)果證明了控制器對負荷電阻變化的魯棒性。所提出的拓撲結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，通過使用電池，該結(jié)構(gòu)可以提供和吸收峰值能量，也能夠利用負荷為電池充電。同時，可以極大地減少電路中的諧波。

圖1　太陽能電池的等效電路圖

圖2　電池等效電路圖

刊名：International Journal of Hydrogen Energy（英）

刊期：2015年第40期

作者：Asma Meskani et al

編譯：何云廷