殷玉丹等

摘要：微電網(wǎng)仿真研究需要準(zhǔn)確的元件模型，其中重要的組成部分就是電源的選擇，本文以兩種光伏電池和燃料電池為例，對(duì)其建立了等效模型，模型簡(jiǎn)單且符合工程需求，該模型能對(duì)基于MATLAB進(jìn)行仿真研究時(shí)提供參考。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng) 電路模型 電源 建模

1 概述

隨著微電網(wǎng)理論的研究深入，各國(guó)家地區(qū)示范項(xiàng)目增多，容量加大，微電網(wǎng)已成為今后電力系統(tǒng)發(fā)展的熱潮。目前微電網(wǎng)理論和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了很好的研究成果[1，3]。鑒于微電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，其中就包括了微電源的多樣式選擇，本文對(duì)部分微電源的建模方法進(jìn)行了分析。以對(duì)基于MATLAB軟件進(jìn)行仿真研究提供參考。

2 光伏電池建模

光伏發(fā)電時(shí)根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電成本過高，而且實(shí)際的光照等因素又復(fù)雜多變，所以計(jì)算機(jī)仿真模擬為實(shí)際研究提供了很好的便利。

光伏電池的等效模型如圖1。各變量關(guān)系如下：

其中Iph為光生電流，與光伏電池的面積以及入射光所能輻射到的角度成正比關(guān)系。ID為暗電流，即在無光照的條件下，由外電壓作用下PN結(jié)內(nèi)流過的單向電流，其大小反映在當(dāng)前環(huán)境溫度下光伏電池PN結(jié)自身所能產(chǎn)生的總擴(kuò)散電流的變化情況。IL為光伏電池輸出時(shí)負(fù)載經(jīng)過的電流大小。Uoc則為開路電壓。RL是負(fù)載上的電阻，Rs是串聯(lián)電阻，Rsh是旁路電阻。I0是光伏電池本身內(nèi)部存在的可等效的二極管PN結(jié)的反向飽和電流，與電池材料自身的性能有關(guān)，反映了光伏電池對(duì)光生電子載流子最大的復(fù)合能力，是一個(gè)常數(shù)，不受光照強(qiáng)度的影響；Isc為短路電流，即將光伏電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照射下，在輸出短路時(shí)流過光伏電池兩端的電流；UD為等效二極管的端電壓；q為電子電荷；k為玻爾茲曼常量；T為熱力學(xué)溫度；A為PN結(jié)曲線常數(shù)。

以上的分析中可以發(fā)現(xiàn)有很多不確定因素，這些因素在很大程度上影響了物理模型的精確性，使得物理模型對(duì)實(shí)際電池的模擬存在較大局限性，也限制了其在實(shí)際工程以及仿真研究中的應(yīng)用。除了根據(jù)等效模型建立的關(guān)系式，也可以根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立模型，或是根據(jù)工程需要提出的簡(jiǎn)便數(shù)學(xué)模型，即

其中需要光伏電池提供的四個(gè)很重要的技術(shù)參數(shù)分別是Isc，Voc，Im，Vm，從而在一定程度上精確復(fù)現(xiàn)光伏電池的一般特性。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，不論什么環(huán)境下，Isc，Voc，Im，Vm總是按照規(guī)律變化著，這對(duì)我們的研究工作提供了便利；那么就可以假設(shè)在補(bǔ)償系數(shù)合理的情況下推算，就可以得出在光照S和溫度T下的四個(gè)技術(shù)參數(shù)，如下：

補(bǔ)償系數(shù)一般給定為a=0.0025/℃，b=0.0005/W/m2， c=0.00288/℃。

所以根據(jù)公式（2）和公式（3）可得出任意溫度和光照下光伏電池的特性。在對(duì)比公式（1）所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，工程數(shù)學(xué)模型相對(duì)簡(jiǎn)單許多。根據(jù)公式只需要三個(gè)輸入量在軟件仿真下就可以得出結(jié)果。

3 燃料電池建模

燃料電池作為一種可直接將存儲(chǔ)燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置而被廣泛應(yīng)用在很多場(chǎng)所中。由于其高效、節(jié)能、環(huán)保，成為了目前為止被熱切關(guān)注的發(fā)電方式之一。燃料電池按其電解質(zhì)的不同，可以被分為五大種類，其中固體氧化物燃料電池是一種被常用的電池種類，它又分為高溫，中高溫以及低溫，這三種不同的固體氧化物燃料電池，在以后的仿真研究中以簡(jiǎn)化固體氧化物燃料電池的模型為主。燃料電池的運(yùn)行特性受到溫度、壓力、電流密度等眾多外界因素以及本身結(jié)構(gòu)的影響，具有較強(qiáng)的非線性。在現(xiàn)有的很多模型中都具有很多不確定因素[4]。燃料電池在運(yùn)行時(shí)存在輸出電壓隨著輸出電流的增大而減小的關(guān)系，而極化曲線就是反映這一關(guān)系的數(shù)學(xué)曲線。其等效圖如圖2。其輸出電壓的關(guān)系為：

在研究燃料電池時(shí)需要控制環(huán)節(jié)來保持輸出功率的最大化，在仿真研究時(shí)也可以假設(shè)輸出的功率是一定的，相對(duì)來說研究?jī)?nèi)容就簡(jiǎn)單許多。

4 結(jié)語

鑒于微電網(wǎng)的電源部分本身就是復(fù)雜多選擇的，本文只是總結(jié)了光伏電池和燃料電池的等效模型以及數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而給出了可以為仿真實(shí)驗(yàn)提供快速有效的計(jì)算方式。為仿真實(shí)驗(yàn)提供一定的選擇。在軟件仿真實(shí)驗(yàn)中，如何簡(jiǎn)單有效的模擬出實(shí)際發(fā)電狀況是今后研究值得關(guān)注的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]魯相宗，侯文義.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（19）：100-104.

[2]司傳濤，楊藝云.光伏電池的建模與仿真研究[J].廣西電力，2012，35（6）：15-17.

[3]草相芹，鞠平，蔡昌春.微電網(wǎng)仿真分析與等效化簡(jiǎn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（5）：94-96.

[4]仲志丹，朱新堅(jiān)，曹廣益.基于模擬退火算法的燃料電池建模[J].電池，2006，36（5）：398-400.