光伏发电系统的建模及仿真分析

张海晶++景志慧

[摘 要]光伏发电（Photovoltaic power system，PV）作为一种典型的分布式发电技术，其并网运行具有重要的研究价值和广阔的应用前景，本文将在Matlab/Simulink仿真环境中建立具有通用性的光伏发电工程模型，并进行仿真分析。

[关键词]光伏发电；建模；仿真分析

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0291-01

引言

分布式发电（Distributed Generation，DG）是近些年倍受关注的一种发电形式，它利用太阳能、风能、潮汐能等可再生的清洁能源发电，实现了能源利用的多样化，被认为是一种极有发展前途的发电技术。而光伏发电无疑是其中极具代表性和发展前景的一种。因此，建立具有通用性的光伏系统工程用模型十分必要。

1.光伏发电系统工作原理

按目前常见的两级式光伏发电系统建模，第一级为DC-DC变换，第二级为DC-AC变换。第一级在光伏电池与负载之间增加了一个DC-DC变换器[1]，如图1所示，其作用是升高光伏电池输出直流电压到一个合适的水平。

2.光伏电池的数学模型

光伏电池是光伏发电系统的基础和核心。它是利用某些材料受到太阳光照时而产生的光伏效应，将太阳辐射能转换成电能的器件[3]。光伏电池的等效电路如图2所示：

其中为光生电流，为二极管结电流，为结电容（分析中可忽略），为串联电阻、低阻值小于，为并联电阻、高阻值数量级为。根据电路原理及shockloy的扩散理论[2]可得：

（2.1）

其中为反向饱和电流（数量级为），为电子电荷（），为二极管因子（取值范围）1：5，k为波尔兹曼常（），T为绝对温度。

电池厂家一般提供光谱，光照强度，电池温度时（此状态称为标准情况，简称标况）的参数。：光伏电池短路电路；：光伏电池最大功率点电流；：光伏电池开路电压；：光伏电池最大功率点电压。

建立工程数学模型，要在式（2.l）基础上做两点近似：

1、通常，非常大，因此远小于电池电流，该项可以忽略；

2、通常，远小于二极管正向导通电阻，因此假设；

同时，有两个条件成立：

1、开路情况下，；

2、在最大功率点，；

基于以上几点，令、，式（2.l）简化为：

（2.2）

式（2.2）为光伏电池工程实用表达式。

3.光伏阵列的建模与仿真分析

根据光伏电池的工程数学模型，在Matlab/Simulink中建立的光伏电池模块是一个受控电流源，以下仿真不同温度和光照强度下，光伏电池的I-V和P-V特性，以验证模型的正确性。

为的光伏电池，标况下参数为：、、、、，系数a、b取典型值。

1、不同光照强度下光伏电池I-V、P-V特性的仿真分析：

由圖3可知：

（1）光伏电池I-V特性具有高度的非线性；

（2）可以看出随着端电压V由零逐渐增长，输出功率P先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出；

（3）短路电流随光照强度的减小而显著减小，两者成正比关系；

（4）开路电压随光照强度的减小而缓慢减小；

（5）最大功率随光照强度的减小而显著减小，同时，均减小。

2、不同电池温度下光伏电池I-V、P-V特性的仿真分析

由图4可知：

（1）随温度的上升短路电流轻微增加，开路电压减少；（2）随温度的上升最大功率减小，变化不明显，同时减小、增加。

由以上仿真结果可知，建立的光伏电池模型满足光伏电池I-V方程。根据厂家提供的标况下基本参数、、、，可获得任意温度和光照强度下的输出特性。模型物理意义明确，通用性强，满足工程用模型的精确性要求。

4.结语

在Matlab/Simulink环境中构建了光伏发电模型，为建立光伏发电系统工程用模型做了初步的探索。仿真表明，建立的模型具有通用性，动态性能好，对光照强度、温度变化反应灵敏。

参考文献

[1] 荣延泽，分布式电源建模与微电网控制及保护，杭州电子科技大学，2012，（02）.

[2] 张超.光伏并网发电系统MTTP及孤岛检测新技术的研究.浙江大学博士学位论文.2006.

[3] 陶琼，吴在军，等.含光伏阵列及燃料电池的微网建模与仿真.电力系统自动化.2010，34（l）：89-92.endprint