光伏发电系统仿真研究范文

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进入21世纪以来，社会发展速度不断加快，对电力能源的需求量与日俱增，传统的主要依靠煤炭发电的火力发电方式在燃烧利用率和污染物排放方面存在着诸多的弊端，尤其是近年来多地频频出现的雾霾天气，更引发了大众对环境问题的高度担忧，加之煤炭为不可再生资源，已探明的储量正急剧减少，这些因素都困扰着发电量的进一步增加。为此，人们将目光转向了新能源发电。目前可用于发电的新能源有太阳辐射能、风能、生物质能、潮汐能和地热能等，与其它新能源相比，太阳辐射能是一种在地球上普遍存在的清洁能源，因其分布范围广、环境友好、绿色无污染和可再生性受到了社会的广泛关注。但是，太阳能光伏发电也存在着一定的弊端，由于太阳辐射能存在时间上和空间上的易变性和不确定性，例如一天中太阳照射强度随时都在变化和晚上太阳辐射能基本没有等等情况，使得太阳能光伏电池转化输出的电能也存在波动性，为了能够最大效率的利用太阳辐射能，需要进行最大功率追踪。本文介绍了太阳能光伏发电系统的整体结构，并分别叙述了每一个子模块的工作原理和构成方式，如图1所示。对比分析了各种最大功率追踪方法的优缺点，经过综合考虑，本文认为电导增量法在速度和精度方面都有一定优势。最后，通过MATLAB/SIMULINK搭建模型进行仿真，结果验证了模型的正确性，并且系统输出功率能够满足所带负载功率的需求。

1光伏电池模块

光伏电池是利用光生伏打效应将太阳光辐射能直接转化为电能的有效方式。但单个光伏电池输出电流和功率很小，通常只有几安和几十瓦左右，所以，在实际应用中，光伏电池模块通常通过串并联的方式组合成M*N光伏阵列，以此来提高光伏电池组的整体输出电流和功率，从而保证能够使负载正常运行。另外，光伏电池的输出特性受光照强度和温度的影响很大，但在任一确定的光照强度和温度下，光伏电池的输出P-V特性曲线都对应着一条特定的曲线，且都为单峰值曲线，存在唯一的最大功率值点，在实际使用中，为了提高光伏电池的利用率，需要使其输出功率能够始终保持在最大功率点处。当光照强度或者温度发生变化时，光伏电池的最大功率值对应的工作点也会随之发生变化，因此为了提高光伏电池的发电效率，需要不断地调整光伏电池的工作点，使之跟随最大功率点的变化，从而为光伏发电系统提供更多的电能。

2Boost升压电路

Boost升压电路是一种常用的直流斩波电路，输入量和输出量均为直流量。根据电力电子技术的要求，Boost升压式斩波器的输出电压Uo高于输入电压Ui，控制开关与负载并联连接，与负载并联的滤波电容必须足够大，以保证输出电压恒定，储能电感也要很大，以保证向负载提供足够的能量。光伏电池输出特性受光照强度和温度影响，使得输出电压和功率波动较大，需要经过Boost升压电路后再接负载。一方面，光伏电池输出电压较低，经升压电路升压后，可以满足更大电压等级负载的需要；另一方面，升压电路中的电感和电容对电压和功率波动能够起到一定的缓冲作用，使输入负载端的电压和功率更加平稳，延长负载使用寿命，这在实际使用中是十分重要的。

3最大功率追踪控制系统

任一光照强度和温度下，光伏电池的P-V特性曲线都为先增加后减小的单峰值曲线，存在一个最大功率点，但随着光照强度和温度的变化，最大功率值和最大功率值点所对应的电压始终处在不断变化中，无法保证输出功率为该条件下的最大值，这使得光伏电池的利用率降低，严重时甚至无法满足负载的功率需求。为此，必须要对光伏系统进行最大功率追踪控制。光伏系统最大功率追踪控制方式有恒电压法、开路电压比例法、扰动观察法、电导增量法以及智能控制法等，其中常用的有扰动观察法和电导增量法。扰动观察法的工作原理如下：对光伏电池的输出电压和电流进行取样，假设光伏电池工作在电压为U1处，此时给输出电压增加一个很小的扰动量△U（设定扰动量△U为正），则光伏电池工作在电压为U2=U1+△U处，分别计算扰动前后的功率P1和P2并进行比较，如果扰动后的功率P2大于扰动前功率P1，则说明当前工作点位于最大功率点左侧，扰动方向是正确的，应该继续按这个方向增加扰动；反之，说明当前工作点位于最大功率点的右侧，应该向反方向增加扰动。扰动观察法简单易懂，容易实现，但也存在某些不足，例如步长为一个定值，很容易导致工作点在最大功率点两侧振荡运行，造成功率损失；此外，当外界环境变化较为剧烈的情况下，扰动观察法这种简单的比较扰动前后功率数值的大小关系的方法很容易造成误判，结果使光伏电池长期偏离最大功率点工作。电导增量法也是最大功率追踪的常用方法之一，工作原理如下：由光伏电池的P-V特性曲线可知，工作点在最大功率点左侧，dP/dU为正值；工作点在最大功率点时，dP/dU等于零；工作点在最大功率点右侧时，dP/dU为负值。对光伏电池的输出电压和电流进行采样，计算扰动前后的功率值并求差值，对扰动前后的电压求差值，当电压差值不为零时，计算dP/dU，结合扰动量的正负值判断工作点所在的位子。如果工作点在最大功率点左侧，则增加扰动量；否则反方向增加扰动量，使其逐渐逼近最大功率点。电导增量法的优点是能快速适应气候条件的变化，控制效果好，稳定度高，不受功率时间曲线的影响。但也存在控制算法较复杂，工作过程中对dU、dI两个参量精度要求高的缺点，在实际运用中，对设备的要求较高些。以上两种方法都是将工作点电压输入到脉宽调制（PWM）模块，经处理后与载波进行比较，输出占空比（D），通过实时调整占空比的大小来控制Boost电路的输出电压和功率，实现最大功率追踪控制。但是显然，在控制精度方面电导增量法的优势尤为突出，而且不容易出现误判，这种可靠性对供电质量来说是非常重要的，所以本文选择电导增量法实现光伏发电系统的最大功率追踪控制。

4光伏发电系统仿真分析

如图1所示，光伏发电系统包括光伏电池、Boost升压电路、最大功率追踪控制和负载四部分，依据上述分析分别建立了前三部分的仿真模型，负载使用纯电阻性负载。建立光伏发电系统的仿真模型，设定温度为25℃，初始光照强度为700W/m2，在0.15s的时候，将光照强度提升到1000W/m2，仿真总时间为0.3s。所得仿真结果如图2所示。如上图所示，仿真开始后0.07s左右，输出功率迅速攀升到105.7W，并基本恒定在该值上下，在0.15s时，光照强度由700W/m2跳变到1000W/m2，输出功率曲线迅速爬升，经过0.0311s的时间，功率达到172W，并稳定在该值上下。由光伏电池的实际输出特性可知，光照强度对功率输出有很大的影响，且随着光照强度的增大，光伏电池输出的最大功率也随之增大。仿真输出结果和理论一致，所以可得图2：光伏系统仿真该仿真模型是正确的，采用的最大功率追踪算法也是合理有效的。

5结语

本文阐述了光伏发电系统的整体结构及各个子模块的工作原理，对最大功率追踪的原理进行了详细的说明，通过对比分析了几种常用的最大功率追踪方法后，最终采用电导增量法实现最大功率追踪控制。在MATLAB/SIMULINK中建立了系统的仿真模型，通过仿真结果证明，该系统可以实现最大功率的追踪输出，能够满足所接入负载的需求。而且，所建立独立光伏发电系统不仅可以对直流负载供电，还可以进一步探索在直流线路上连接逆变器，将直流电逆变成与电网相同电压和频率的交流电，研究将其接入大电网或者对交流负载供电。

作者：蒋燕 袁泉 单位：湖南电气职业技术学院