光伏为主小型发电系统设计与实现

张 亚，王章军，黄泽琦，何佳迅，杨海艳

（1.重庆泰山电缆有限公司，重庆401120；2.上海霍开光电技术有限公司，上海200000；3.湖北电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430000）

0 引言

太阳能与风能发电属于清洁绿色能源，符合国家能源十四五发展规划和低碳环保发展要求［1-3］。我国既是世界能源消费大国，也是风光资源丰富国家。光伏发电具有如下优点：1）随处获得，减少电能传输损耗；2）无需长途运输，成本低；3）发电过程无废物，环保；4）发电装备少建设成本低。目前应用最广泛的新能源［4-5］。

风力发电被广泛应用，但相比光伏发电有着环境、条件上的约束，如风机与占地面积太大、风能不可预测性与区域性，风力发电具有不稳定性［6-9］。

将太阳能和风能有机结合构成的风光发电互补系统，不仅可以降低系统成本，还能够提高系统供电的可靠性，更加适应市场的需求［10-11］。因此本文设计光风储互补的小型发电系统，以实现清洁绿色能源的最大利用。

1 光伏发电系统

1.1 光伏电池原理

光伏发电系统主要部件有光伏电池方阵、储能设备（蓄电池）［12］、控制器、逆变器［13］、其他配套组件。设计时首先根据需求对光伏电池进行参数设计，其模型可用一恒流为Iph的电流源并联一正向二极管表示，实际上光伏电池自身还存在电阻，如图1所示，与光伏电池并联的电阻Rsh称之为旁路电阻，与之相串联的电阻Rs称之为串联电阻［14］。

图1 光伏电池的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of photovoltaic

由光伏电池等效电路得出，其输出电压V与输出电流I关系如式（1）所示：

取参考值：Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃，a=0.002 5 A/℃，b=0.5，c=0.002 88 V/℃，在非标准光照强度和温度下，对输出特性进行研究。本文查阅通用光伏电池规格参数，根据设计指标（480 W），选择JMD140-12P型号的多晶硅光伏电池［16-18］进行设计。

根据以上选择的光伏电池参数得到：Vm=17.5 V；Im=8 A；Voc=21.5 V；Isc=8.8 A；

通过Matlab 将上述数据代入式（1）以及式（2）-式（7）中，在不同光照强度S和不同温度T下，分别得到不同的I-U曲线和P-U曲线，如图2-图5所示。

图2 不同光照时的I-U图像Fig.2 I-U images under different lighting conditions

图3 不同光照时的P-U图像Fig.3 P-U images under different lighting conditions

通过I-U曲线比较得出：1）U比较低时，I认为不变化，此时光伏电池可看做一个恒定电流源。2）U过高时，I急剧下降至0，U=Voc。通过P-U曲线比较得出：P在U的变化范围内有一峰值，即此电压下的最大功率点。

图4 不同温度时的I-U图像Fig.4 I-U images at different temperatures

图5 不同温度时的P-U图像Fig.5 P-U images at different temperatures

当温度不变，改变光照时：由I-U曲线知，Isc随着S的变化而明显改变，S降低，Vsc减小，而Voc变化幅度很小。由P-U曲线知，S降低，P减小，并且Vm也随之会有改变。

当光照不变，改变温度时：由I-U曲线知，Isc和Voc都随着T的变化而改变，T升高，Isc增加，而Voc减小。由P-U曲线知，P随着T的改变有微弱变化，并且Vm也随之左右移动。

因此对于480 W输出系统，为了保证足够的裕量，光伏电池至少能够在光照强度1 000（光照强度最大）时能够输出560 W 以上的功率，需要2×2=4 块同种型号（JMD140—12P）的光伏电池。

1.2 光伏系统设计

光伏电池选定后，接下来进行光伏供电系统设计，如图6 所示。主要开展最大追光模块中的Boost 电路和储能系统相接的双向DC-DC 电路设计，根据功率、母线电压大小设计电路中具体元件参数。光伏电池输出接Boost 电路，使光伏电池始终工作在最大工作点；由电感和电容组成的滤波器滤除了高次谐波，供给负载使用。双向DC-DC电路与蓄电池组相接，作用是电能的双向传递［19-20］。

图6 光伏系统主电路图Fig.6 Main circuit diagram of the photovoltaic system

系统设计的光伏电池输出的电压Vph（Boost电路的输入电压Vin）最高值为43 V，考虑滤波电感的消耗无功功率，留有一定设计裕量，所以本次设计Boost 电路输出的电压Vdc选50 V，560 W电路的输出电流最高可以达到11.2 A。Boost电路主要由电感L1、电容C1、二极管D0和受到MPPT控制的电力电子开关（IGBT）V0四部分组成［21-23］，如图7所示。

图7 Boost电路Fig.7 The Boost circuit

根据设计依据，选择电感L1、电容C1、二极管D0、IGBT的V0参数如表1所示。

表1 Boost电路元器件参数Table 1 Component parameters of Boost circuit

光伏系统双向DC-DC电路如图8所示，当直流侧电压达不到一定值时，即交流侧出现欠压时便需要额外的输入，根据P=UI，当光伏电池输出功率不足时，为满足负载需求，Vdc必然会降低，因此决定储能设备是充电还是放电可以通过检测直流侧电压Vdc的方式。当Vdc低于参考值Vdc_ref时关断V6调制V5使蓄电池放电，当Vdc大于Vdc_ref时关断V5调制V6使光伏电池向蓄电池充电。

根据储能系统要求（30*12 V/120 A·h）双向DCDC设计参数如表2所示。

图8 双向DC-DC电路Fig.8 DC-DC circuit

表2 DC-DC元件参数Table 2 DC-DC element parameters

2 光伏发电系统实现

2.1 光伏发电系统仿真分析

根据上一节的设计，本文在Simulink 环境下搭建了光伏系统的仿真模型，如图9所示。

图9 光伏供电系统仿真模型Fig.9 Simulation model of photovoltaic power supply system

本文针对光伏供电系统的光伏电池模块、MPPT模 块的Boost电路、储能模块进行分析，如图10-图12所示。

图10 光伏电池特性Fig.10 Photovoltaic cell characteristics

在t=1 s 时，改变光照，最大功率点的位置发生变化，算法模型在不同环境下，经过了短时间的波动后，都实现了对最大功率点的跟踪。

由图11可知，当光照强度低时，PWM 电路通过改变占空比来改变此时光伏电池输出的电压，使直流侧电压值保持不变，以此来稳压。

在1 s时，光照由1 000 W/m2突然减少到10 W/m2，从图像可以看出，直流侧电压保持不变，光伏电池输出几乎为0，此时蓄电池电流值由正变负，说明此时蓄电池反向给负载充电，达到补充的效果。

图11 MPPT控制模块Fig.11 MPPT control module

图12 储能模块特性Fig.12 Characteristics of energy storage module

2.2 实验室验证

依据设计指标，搭建了光伏实物系统，如图13所示。

图13 光伏系统实物图Fig.13 Physical picture of photovoltaic system

对光伏电池的输出特性曲线和不同光照强度下MPPT 的特性验证，通过上位机截取图像，由实验可知，光伏电池输出特性良好，并且能够及时跟踪光照变化，如图14-图15所示。

3 光伏-风力发电平台设计与实现

3.1 风力发电系统

风力发电过程其本质是风能—机械能—电能转化，风力发电系统主要由风机与AC-DC 模块组成［24-26］。风机选用三相异步交流风机，实际功率可根据贝兹理论计算［27］，如式（8）所示。

式（8）中，P为风力发电机输出功率；ρ为空气密度；S为风轮扫掠面积；v为风速；CP为风能利用系数。最大输出功率与风能利用系数成正相关关系［28-29］。

图14 光伏电池输出特性Fig.14 Output characteristics of photovoltaic cells

图15 光伏电池MPPT特性Fig.15 MPPT characteristics of photovoltaic cells

本系统选用功率为600 W 的水平轴风力发电机［30-31］，为保证母线电压稳定，采用鼓风机模拟了风速上升、风速下降、风速先下降再上升三种情况，对风机进行了输出端电压稳定性测试，如图16所示。

图16 风机测试图Fig.16 Fan test diagram

通过示波器对输出电压监测，采集周期为5 s设定下，可看出，随着风速改变，风电机输出电压Uout稳定，满足系统要求，如图17-图19所示。

3.2 光伏-风力发电系统控制策略

本文以光伏发电为主，风力发电为辅进行控制策略设计，如图20所示。

系统运行模式分为离网与并网模式，离网模式为直流运行模式，由光伏阵列直接向直流负载供电、光伏电池电能经过双向DC-DC 逆变器进入蓄电池进行储存，当光伏电池供能不足时，由风机经过AC-DC 逆变器为直流负载供能。并网模式时，为了保证电能质量稳定性，光伏电池经过双向DC-DC 逆变器、风机经过AC-DC逆变器将电能转换成直流后进入储能系统，再由储能系统经过充放电控制器对交流负载进行供电。

图17 风速增大UoutFig.17 Uout when wind speed increases

图18 风速降低UoutFig.18 Uoutwhen wind speed idecreases

图19 风速先降再升UoutFig.19 Uout when wind speed drops and then rises

3.3 光伏-风力发电系统实现

根据系统参数设计及仿真，搭建实物系统进行验证，如图21所示。

图20 光—风发电系统控制策略Fig.20 Control strategy of wind-solar power generation system

图21 风光互补试验平台Fig.21 Wind-solar complementary test platform

离网试验时，该系统可单独作为能源对直流负荷进行供电，适用于偏远或孤立环境。并网试验时，该系统可向就近负荷供电，为大电网减轻负担。

4 结语

本文从工程需求出发，设计并搭建了一套光伏发电为主，风力发电和储能为辅的风光互补发电系统。通过对光伏电池特性的分析，建立数学模型进行Matlab 的仿真探究，结合选定的光伏电池参量和输出特性，对MPPT 与DC-DC 电路进行了设计，利用Simulink软件对本文发电系统进行验证。根据系统需求设计了风机系统，通过改变风速模拟实际阵风情况，对风机系统输出稳定性进行了验证。最后设计光伏-风力发电系统控制策略，搭建小型发电系统，进行离网与并网验证。