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        基于MATLAB的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

        2020-12-28 02:26:02朱永丹向丹鳳
        中阿科技論壇(中英阿文) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電

        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(wèn)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(duì)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(duì)構(gòu)建的系統(tǒng)模型予以驗(yàn)證。

        關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電;MATLB;MPPT算法

        中圖分類(lèi)號(hào):TM615? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        隨著電力需求的日益增長(zhǎng),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(wèn)題,可再生能源的運(yùn)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(shí),也給配電網(wǎng)帶來(lái)了新問(wèn)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(lái)針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模,并基于MPPT常見(jiàn)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(yáng)能表面存在光直接照射時(shí),界面光電子將吸收光輻射出來(lái)的能量,同時(shí)處于共價(jià)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(duì)。對(duì)于處在界面層的空穴和電子,它們實(shí)現(xiàn)復(fù)合以前需要借助電荷電場(chǎng)作用進(jìn)而出現(xiàn)分離情況,此時(shí)電子以及空穴從N區(qū)朝著P區(qū)移動(dòng),因?yàn)樵诮缑鎸哟嬖陔姾煞蛛x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(shì)能,能夠進(jìn)行電壓檢測(cè)。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(yáng)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(duì)應(yīng)電池面積將逐漸增大,此時(shí)在太陽(yáng)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(lái)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(shí)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(shí),就能克服金屬內(nèi)力做功。此時(shí)金屬表面電子將溢出,我們通常將這些遷移的電子稱(chēng)作光電子。硅原子通常包含的外層電子有四個(gè),如果將五價(jià)元素磷引入純硅里面,那么此時(shí)將形成N型半導(dǎo)體。而在純硅中摻入三價(jià)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(dòng)勢(shì)能,進(jìn)而構(gòu)成太陽(yáng)能電池。如果在P-N結(jié)面上存在太陽(yáng)能照射,那么空穴將從P區(qū)朝著N區(qū)流動(dòng),最終構(gòu)成電流。

        從結(jié)構(gòu)上來(lái)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(gè)核心部分,工作原理是光伏電池吸收太陽(yáng)能進(jìn)而轉(zhuǎn)變成為電能,實(shí)現(xiàn)電流和電壓的輸出,最終進(jìn)入MPPT里面予以控制,針對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。同時(shí)借助輸出脈寬來(lái)針對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)整,從而經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動(dòng)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(lái)看,太陽(yáng)能光譜將對(duì)光伏發(fā)電穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,此外,還有如下幾個(gè)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(duì)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(dòng),此時(shí)系統(tǒng)輸出功率同樣會(huì)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(duì)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(huì)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(duì)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(gè)光電池覆蓋,將導(dǎo)致電池組輸出功率降低75%。由此可見(jiàn),在場(chǎng)地選擇中應(yīng)將陰影作為重點(diǎn)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(duì)器件進(jìn)行頻繁操作,將產(chǎn)生諧波分量,進(jìn)一步對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。如若針對(duì)光伏發(fā)電輸出電流進(jìn)行調(diào)制,將出現(xiàn)簡(jiǎn)諧波、交流側(cè)特征諧波以及非特征諧波等[3]。同時(shí),為了能夠在不同濕度或者光照條件下實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率,一般會(huì)采用最大功率點(diǎn)跟蹤。然而跟蹤最大功率往往會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)存在電壓波動(dòng)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(yáng)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(duì)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(guò)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(xiě)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(duì)太陽(yáng)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(diǎn)運(yùn)行。MPPT算法包含多種類(lèi)型,即干擾觀測(cè)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(yùn)行狀態(tài)下的電壓一般是開(kāi)路狀態(tài)對(duì)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(gè)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(duì)應(yīng)工作電壓同樣會(huì)發(fā)生改變,故CVT算法會(huì)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(huì)存在交叉點(diǎn),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(dòng)觀測(cè)法

        一般情況下,光伏組件的P-V曲線是以最大功率點(diǎn)為峰值的單峰曲線,利用一定周期內(nèi)對(duì)光伏組件電壓進(jìn)行擾動(dòng),對(duì)比擾動(dòng)后光伏組件輸出功率變化趨勢(shì)的電壓調(diào)整方向。該算法在追蹤過(guò)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(duì)應(yīng)輸出功率為最大值點(diǎn)位。從本質(zhì)層面看,擾動(dòng)觀察法主要是針對(duì)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(jiǎn)單、被測(cè)參數(shù)少、容易步長(zhǎng)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(fèi)。此外,在環(huán)境發(fā)生改變的情況下,會(huì)存在誤判的可能[4]。

        3.2.3? 電導(dǎo)增量法

        從原理層面來(lái)看,擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法是一致的,都是通過(guò)改變電壓來(lái)觀察功率再確定電壓的下一步調(diào)整方向,但對(duì)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(diǎn)時(shí),功率對(duì)電壓導(dǎo)數(shù)為0,即:

        從數(shù)學(xué)層面來(lái)看,借助擾動(dòng)觀測(cè)法用dP來(lái)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(jiàn),相對(duì)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(jì)與仿真

        經(jīng)過(guò)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(yáng)輻射為800 W/m2時(shí),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(shí)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(diǎn)附近,且系統(tǒng)響應(yīng)沒(méi)有超調(diào),能夠獲得很好的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MPPT功能時(shí),PWM占空比維持在35%~38%之間。

        當(dāng)太陽(yáng)輻射從400 W/m2升至800 W/m2時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出曲線如圖5所示。仿真過(guò)程中,光照變化的時(shí)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(shí)對(duì)應(yīng)輸出功率同樣產(chǎn)生改變。

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

        由上可見(jiàn),采用相關(guān)電導(dǎo)增量MPPT算法后,在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度發(fā)生波動(dòng)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):

        [1]魏力,宋菁,張高峰.基于牛拉法的分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)潮流的影響[J].智能電網(wǎng),2014(7):29-36.

        [2]桑靜靜,趙慶生,何志方.光伏并網(wǎng)對(duì)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?jiǎn)栴}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(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損和電壓分布的影響[J].計(jì)算機(jī)仿真,2010(4):279-283.

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