光伏發電系統仿真研究范文

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進入21世紀以來，社會發展速度不斷加快，對電力能源的需求量與日俱增，傳統的主要依靠煤炭發電的火力發電方式在燃燒利用率和污染物排放方面存在著諸多的弊端，尤其是近年來多地頻頻出現的霧霾天氣，更引發了大眾對環境問題的高度擔憂，加之煤炭為不可再生資源，已探明的儲量正急劇減少，這些因素都困擾著發電量的進一步增加。為此，人們將目光轉向了新能源發電。目前可用于發電的新能源有太陽輻射能、風能、生物質能、潮汐能和地熱能等，與其它新能源相比，太陽輻射能是一種在地球上普遍存在的清潔能源，因其分布范圍廣、環境友好、綠色無污染和可再生性受到了社會的廣泛關注。但是，太陽能光伏發電也存在著一定的弊端，由于太陽輻射能存在時間上和空間上的易變性和不確定性，例如一天中太陽照射強度隨時都在變化和晚上太陽輻射能基本沒有等等情況，使得太陽能光伏電池轉化輸出的電能也存在波動性，為了能夠最大效率的利用太陽輻射能，需要進行最大功率追蹤。本文介紹了太陽能光伏發電系統的整體結構，并分別敘述了每一個子模塊的工作原理和構成方式，如圖1所示。對比分析了各種最大功率追蹤方法的優缺點，經過綜合考慮，本文認為電導增量法在速度和精度方面都有一定優勢。最后，通過MATLAB/SIMULINK搭建模型進行仿真，結果驗證了模型的正確性，并且系統輸出功率能夠滿足所帶負載功率的需求。

1光伏電池模塊

光伏電池是利用光生伏打效應將太陽光輻射能直接轉化為電能的有效方式。但單個光伏電池輸出電流和功率很小，通常只有幾安和幾十瓦左右，所以，在實際應用中，光伏電池模塊通常通過串并聯的方式組合成M*N光伏陣列，以此來提高光伏電池組的整體輸出電流和功率，從而保證能夠使負載正常運行。另外，光伏電池的輸出特性受光照強度和溫度的影響很大，但在任一確定的光照強度和溫度下，光伏電池的輸出P-V特性曲線都對應著一條特定的曲線，且都為單峰值曲線，存在唯一的最大功率值點，在實際使用中，為了提高光伏電池的利用率，需要使其輸出功率能夠始終保持在最大功率點處。當光照強度或者溫度發生變化時，光伏電池的最大功率值對應的工作點也會隨之發生變化，因此為了提高光伏電池的發電效率，需要不斷地調整光伏電池的工作點，使之跟隨最大功率點的變化，從而為光伏發電系統提供更多的電能。

2Boost升壓電路

Boost升壓電路是一種常用的直流斬波電路，輸入量和輸出量均為直流量。根據電力電子技術的要求，Boost升壓式斬波器的輸出電壓Uo高于輸入電壓Ui，控制開關與負載并聯連接，與負載并聯的濾波電容必須足夠大，以保證輸出電壓恒定，儲能電感也要很大，以保證向負載提供足夠的能量。光伏電池輸出特性受光照強度和溫度影響，使得輸出電壓和功率波動較大，需要經過Boost升壓電路后再接負載。一方面，光伏電池輸出電壓較低，經升壓電路升壓后，可以滿足更大電壓等級負載的需要；另一方面，升壓電路中的電感和電容對電壓和功率波動能夠起到一定的緩沖作用，使輸入負載端的電壓和功率更加平穩，延長負載使用壽命，這在實際使用中是十分重要的。

3最大功率追蹤控制系統

任一光照強度和溫度下，光伏電池的P-V特性曲線都為先增加后減小的單峰值曲線，存在一個最大功率點，但隨著光照強度和溫度的變化，最大功率值和最大功率值點所對應的電壓始終處在不斷變化中，無法保證輸出功率為該條件下的最大值，這使得光伏電池的利用率降低，嚴重時甚至無法滿足負載的功率需求。為此，必須要對光伏系統進行最大功率追蹤控制。光伏系統最大功率追蹤控制方式有恒電壓法、開路電壓比例法、擾動觀察法、電導增量法以及智能控制法等，其中常用的有擾動觀察法和電導增量法。擾動觀察法的工作原理如下：對光伏電池的輸出電壓和電流進行取樣，假設光伏電池工作在電壓為U1處，此時給輸出電壓增加一個很小的擾動量△U（設定擾動量△U為正），則光伏電池工作在電壓為U2=U1+△U處，分別計算擾動前后的功率P1和P2并進行比較，如果擾動后的功率P2大于擾動前功率P1，則說明當前工作點位于最大功率點左側，擾動方向是正確的，應該繼續按這個方向增加擾動；反之，說明當前工作點位于最大功率點的右側，應該向反方向增加擾動。擾動觀察法簡單易懂，容易實現，但也存在某些不足，例如步長為一個定值，很容易導致工作點在最大功率點兩側振蕩運行，造成功率損失；此外，當外界環境變化較為劇烈的情況下，擾動觀察法這種簡單的比較擾動前后功率數值的大小關系的方法很容易造成誤判，結果使光伏電池長期偏離最大功率點工作。電導增量法也是最大功率追蹤的常用方法之一，工作原理如下：由光伏電池的P-V特性曲線可知，工作點在最大功率點左側，dP/dU為正值；工作點在最大功率點時，dP/dU等于零；工作點在最大功率點右側時，dP/dU為負值。對光伏電池的輸出電壓和電流進行采樣，計算擾動前后的功率值并求差值，對擾動前后的電壓求差值，當電壓差值不為零時，計算dP/dU，結合擾動量的正負值判斷工作點所在的位子。如果工作點在最大功率點左側，則增加擾動量；否則反方向增加擾動量，使其逐漸逼近最大功率點。電導增量法的優點是能快速適應氣候條件的變化，控制效果好，穩定度高，不受功率時間曲線的影響。但也存在控制算法較復雜，工作過程中對dU、dI兩個參量精度要求高的缺點，在實際運用中，對設備的要求較高些。以上兩種方法都是將工作點電壓輸入到脈寬調制（PWM）模塊，經處理后與載波進行比較，輸出占空比（D），通過實時調整占空比的大小來控制Boost電路的輸出電壓和功率，實現最大功率追蹤控制。但是顯然，在控制精度方面電導增量法的優勢尤為突出，而且不容易出現誤判，這種可靠性對供電質量來說是非常重要的，所以本文選擇電導增量法實現光伏發電系統的最大功率追蹤控制。

4光伏發電系統仿真分析

如圖1所示，光伏發電系統包括光伏電池、Boost升壓電路、最大功率追蹤控制和負載四部分，依據上述分析分別建立了前三部分的仿真模型，負載使用純電阻性負載。建立光伏發電系統的仿真模型，設定溫度為25℃，初始光照強度為700W/m2，在0.15s的時候，將光照強度提升到1000W/m2，仿真總時間為0.3s。所得仿真結果如圖2所示。如上圖所示，仿真開始后0.07s左右，輸出功率迅速攀升到105.7W，并基本恒定在該值上下，在0.15s時，光照強度由700W/m2跳變到1000W/m2，輸出功率曲線迅速爬升，經過0.0311s的時間，功率達到172W，并穩定在該值上下。由光伏電池的實際輸出特性可知，光照強度對功率輸出有很大的影響，且隨著光照強度的增大，光伏電池輸出的最大功率也隨之增大。仿真輸出結果和理論一致，所以可得圖2：光伏系統仿真該仿真模型是正確的，采用的最大功率追蹤算法也是合理有效的。

5結語

本文闡述了光伏發電系統的整體結構及各個子模塊的工作原理，對最大功率追蹤的原理進行了詳細的說明，通過對比分析了幾種常用的最大功率追蹤方法后，最終采用電導增量法實現最大功率追蹤控制。在MATLAB/SIMULINK中建立了系統的仿真模型，通過仿真結果證明，該系統可以實現最大功率的追蹤輸出，能夠滿足所接入負載的需求。而且，所建立獨立光伏發電系統不僅可以對直流負載供電，還可以進一步探索在直流線路上連接逆變器，將直流電逆變成與電網相同電壓和頻率的交流電，研究將其接入大電網或者對交流負載供電。

作者：蔣燕 袁泉 單位：湖南電氣職業技術學院