張唯一 張菁

摘 要：本文對(duì)新能源開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。首先分析了最大功率點(diǎn)跟蹤算法、PWM 斬波控制、蓄電池充放電原理等，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了光伏系統(tǒng)的控制模塊以及儲(chǔ)能模塊。然后根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型以及相關(guān)算法，搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并分析在不同光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng);光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度;控制模塊;儲(chǔ)能模塊

文章編號(hào)：2095-2163（2019）04-0297-04 中圖分類號(hào)：TM715 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

光伏發(fā)電是緩解當(dāng)前能源枯竭等一系列重大問(wèn)題的最有效手段[1]。光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件模塊、控制模塊、蓄電池儲(chǔ)能模塊等組成，電池模塊是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心模塊[2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能受外部環(huán)境的影響[3]。建立一個(gè)準(zhǔn)確、通用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，觀察其在不同環(huán)境（光照、溫度等）下的輸出特性，對(duì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率具有重要意義[4]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與運(yùn)行點(diǎn)有關(guān)。用MPPT算法求出系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，可以提高系統(tǒng)的最大功率輸出[5]。通過(guò)建立仿真模型，為今后光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)和運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制模塊模型

1.1 MPPT控制模塊的搭建

本次仿真 MPPT 算法采用的是擾動(dòng)觀察法，并在 MATLAB/Simulink 環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行了仿真，其模型如圖1所示。

Zero-Order Hold是零階保持器，其作用是對(duì)輸出量進(jìn)行采樣，本次設(shè)計(jì)選用最大值0.0001;“Memory”是延時(shí)發(fā)生器，其輸出是上一個(gè)采樣期的輸入值，并作為下個(gè)周期的比較量;“Sign”模塊可以判斷輸入的正負(fù)，并且當(dāng)輸入大于 0 時(shí)輸出 1，輸入為 0 輸出 0，輸入小于 0 時(shí)輸出-1，作用是把正弦、余弦函數(shù)變成方波輸出。

1.2 PWM脈寬調(diào)制仿真模型

仿真采取的做法是通過(guò) MPPT 得到追蹤的參考信號(hào)，然后調(diào)制其波形，得到所希望的 PWM 調(diào)制波。常用的參考信號(hào)有鋸齒波和等腰三角波，其中后者的應(yīng)用更多一些。原理是，在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中可控開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷，通過(guò)這種方式能夠得到寬度和信號(hào)波幅值成正比關(guān)系的脈沖。PWM斬波仿真模型如圖2所示。

Repeating Sequence可以輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三角波信號(hào)，與前級(jí) MPPT 輸出的比較差值，作為下一個(gè)模塊的啟動(dòng)。Switch接受上級(jí)的輸出結(jié)果并進(jìn)行判斷，若大于零則接通constant 1，若小于零則接通 constant 0，然后進(jìn)一步驅(qū)動(dòng) DC/ DC 電路。

1.3 DC/DC 斬波電路仿真模型

通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)的占空比α，就可以獲取輸出的最大功率點(diǎn)，也實(shí)現(xiàn)了MPPT 控制過(guò)程。DC/DC 變換電路常用的有升壓 boost 電路和降壓 buck 電路。

本模塊采用 Boost 作為 DC/ DC 轉(zhuǎn)換的直流升壓電路，這種方式不僅能夠大大改善工作效率，并且也使得電路驅(qū)動(dòng)變得更加簡(jiǎn)單，因此利用 Boost升壓電路DC/DC變換器的電路會(huì)有一個(gè)比較理想的

結(jié)果。圖3所顯示的就是 Boost 直流升壓電路的運(yùn)行狀態(tài)：通過(guò)控制器調(diào)節(jié) switch開(kāi)關(guān)的占空比α，就可以得到理想的輸出電壓。

若電流的紋波幅度高，則電感可能在整個(gè)換向周期結(jié)束之前完全放電。在這種情況下，通過(guò)電感的電流在一段時(shí)間內(nèi)下降到零，雖然差別很小，但其對(duì)輸出電壓方程式有很大的影響。電壓增益可以用如下公式計(jì)算：

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型及特性分析

經(jīng)過(guò)上述的設(shè)計(jì)，完成了對(duì)一個(gè)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的搭建仿真。

下面對(duì)仿真進(jìn)行以下說(shuō)明：總系統(tǒng)的模型由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，其中包括太陽(yáng)能光伏電池陣列、MPPT 控制器（包括 PWM 斬波、DC/DC 直流升壓電路）和蓄電池組件。將每一部分進(jìn)行封裝，最后得到了一個(gè)獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，如圖4所示。

根據(jù)商家給出的參數(shù)，設(shè)定電感值L=10·e-3H，電容值C=300·e-6F，等效負(fù)載R=20Ω，Diode 模塊采用默認(rèn)數(shù)據(jù)。本次設(shè)計(jì)中用到的太陽(yáng)能光伏電池的參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)情況下的仿真分析

首先，在正常的外界條件下（太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Sref=1 000 w/m2，外界溫度Tref=25 ℃）對(duì)建立好的模型進(jìn)行仿真，觀察在 MPPT 追蹤前后的功率、電壓仿真曲線，運(yùn)行后的結(jié)果如圖5，圖6所示。

由圖6 可知，本次設(shè)計(jì)中用到的直流升壓電路的升壓比為53.71/17.68≈3。

2.2 溫度T發(fā)生變化時(shí)的仿真

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一般放在室外，會(huì)受到周圍環(huán)境溫度的影響。每天早晚有一定的溫差，每年的4個(gè)季節(jié)溫度也不一樣，所以本次設(shè)計(jì)基于不同溫度條件下，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。環(huán)境溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，仿真曲線如圖7、圖8所示。

根據(jù)仿真圖可以看出，環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)的輸出功率、電壓等均會(huì)下降，然而環(huán)境溫度降低時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出量則會(huì)變多。不難看出，環(huán)境溫度的改變與太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性是成反比關(guān)系的。盡管如此，環(huán)境溫度的改變對(duì)于系統(tǒng)輸出特性的影響還是比較微弱的。

2.3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S改變時(shí)的仿真

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一般放在室外，所以光照也會(huì)給其帶來(lái)一定的影響，所以對(duì) S 發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行仿真是有意義的，本次設(shè)計(jì)基于光照條件下，進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化見(jiàn)表3。

光照量S對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的影響比較大，當(dāng)光照量S變化很大（由1 000 w/m2→600 w/m2），且輻射強(qiáng)度不太高時(shí)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的輸出功率并不穩(wěn)定，會(huì)跳動(dòng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以推測(cè)，光照弱的地方，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的性能差，所以陰天、雨天等天氣不利于系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)上下2條曲線對(duì)比可以看出，直流升壓回路促進(jìn)了輸出的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能光伏電池輸出與外界環(huán)境溫度T和太陽(yáng)輻照強(qiáng)度S具有明顯的非線性特征，只有在特定的電壓值下才有最大的輸出功率，通過(guò) MPPT 控制找到最大功率點(diǎn)有助于提高光伏發(fā)電的效率。

本文通過(guò)仿真搭建出來(lái)的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了光伏發(fā)電的輸出特性。在未來(lái)的研究中，可以嘗試建立系統(tǒng)的實(shí)物模型，以便于更好地對(duì)新能源開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行深入地研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉皓明， 寧健， 朱芳芳，等. 考慮隨機(jī)性分布式電源的配電系統(tǒng)潮流計(jì)算[J]. 電力需求側(cè)管理， 2014， 16（1）：11-14.

[2] 許洪華. 中國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2007， 31（20）：77-81.

[3] 張立梅， 唐巍， 趙云軍，等. 分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)影響的綜合評(píng)估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（21）：132-135，140.

[4] 李晶， 許洪華， 趙海翔，等. 并網(wǎng)光伏電站動(dòng)態(tài)建模及仿真分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2008， 32（24）：83-87.

[5] 王飛， 余世杰， 蘇建徽，等. 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2005， 20（5）：72-74，91.

[6] 王成山， 鄭海峰， 謝瑩華，等. 計(jì)及分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)隨機(jī)潮流計(jì)算[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（24）：39-44.

[7] 李振坤， 陳星鶯， 劉皓明，等. 配電網(wǎng)供電能力的實(shí)時(shí)評(píng)估分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（6）：36-39，62.

[8] 于雷， 王立地， 紀(jì)建偉，等. 基于PV節(jié)點(diǎn)分布式電源的弱環(huán)網(wǎng)潮流計(jì)算[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 44（3）：373-376.

[9] 谷文卓. 配電網(wǎng)最大供電能力的定義、模型與計(jì)算方法[D]. 天津：天津大學(xué)， 2012.

[10]陳浩， 張焰， 俞國(guó)勤，等. 配電網(wǎng)最大供電能力計(jì)算方法[J]. 中國(guó)電力，2009，42（8）：20-23.

[11]劉洪， 郭寅昌， 葛少云，等. 配電系統(tǒng)供電能力的修正計(jì)算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2012， 36（3）：217-222.

[12]國(guó)宗， 韋鋼， 李明，等. 含分布式電源的配電網(wǎng)供電能力評(píng)估方法[J]. 現(xiàn)代電力，2015， 32（4）：56-61.

[13]YU B， MATSUI M， JUNG Y，et al. A combined active anti-islanding method for photovoltaic systems[J]. Renewable Energy，2008，33（5）：979-985.

[14]HUNG G K， CHANG C C， CHEN C L. Automatic phase-shift method for islanding detection of grid-connected photovoltaic interters[J]. IEEE Power Engineering Review，2002， 22（9）：55.

[15]YU G J， JUNG Y S， CHOI J Y，et al. A novel two-mode MPPT control algorithm based on comparatvie study of existing algorithms[C]//2002 Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE Photovoltaic Specialists Conference .New Orleans， LA， USA：IEEE，2002：1531-1534.

[16]De CASTRO L N， Von ZUBEN F J. Learning and optimization using the clonal selection principle[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2002，6（3）：239-251.

[17]De SOTO W， KLEIN S A. Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance[J]. Solar Energy，2006，80：78-88.