光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真研究范文
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進(jìn)入21世紀(jì)以來，社會發(fā)展速度不斷加快，對電力能源的需求量與日俱增，傳統(tǒng)的主要依靠煤炭發(fā)電的火力發(fā)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(xiàn)的霧霾天氣，更引發(fā)了大眾對環(huán)境問題的高度擔(dān)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(fā)電量的進(jìn)一步增加。為此，人們將目光轉(zhuǎn)向了新能源發(fā)電。目前可用于發(fā)電的新能源有太陽輻射能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能和地?zé)崮艿?，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(huán)境友好、綠色無污染和可再生性受到了社會的廣泛關(guān)注。但是，太陽能光伏發(fā)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(qiáng)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(zhuǎn)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(jìn)行最大功率追蹤。本文介紹了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并分別敘述了每一個子模塊的工作原理和構(gòu)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(yōu)缺點，經(jīng)過綜合考慮，本文認(rèn)為電導(dǎo)增量法在速度和精度方面都有一定優(yōu)勢。最后，通過MATLAB/SIMULINK搭建模型進(jìn)行仿真，結(jié)果驗證了模型的正確性，并且系統(tǒng)輸出功率能夠滿足所帶負(fù)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(yīng)將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)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(yīng)用中，光伏電池模塊通常通過串并聯(lián)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(fù)載正常運行。另外，光伏電池的輸出特性受光照強(qiáng)度和溫度的影響很大，但在任一確定的光照強(qiáng)度和溫度下，光伏電池的輸出P-V特性曲線都對應(yīng)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(dāng)光照強(qiáng)度或者溫度發(fā)生變化時，光伏電池的最大功率值對應(yīng)的工作點也會隨之發(fā)生變化，因此為了提高光伏電池的發(fā)電效率，需要不斷地調(diào)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(fā)電系統(tǒng)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(jù)電力電子技術(shù)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(guān)與負(fù)載并聯(lián)連接，與負(fù)載并聯(lián)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(fù)載提供足夠的能量。光伏電池輸出特性受光照強(qiáng)度和溫度影響，使得輸出電壓和功率波動較大，需要經(jīng)過Boost升壓電路后再接負(fù)載。一方面，光伏電池輸出電壓較低，經(jīng)升壓電路升壓后，可以滿足更大電壓等級負(fù)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(fù)載端的電壓和功率更加平穩(wěn)，延長負(fù)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(tǒng)
任一光照強(qiáng)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(qiáng)度和溫度的變化，最大功率值和最大功率值點所對應(yīng)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(yán)重時甚至無法滿足負(fù)載的功率需求。為此，必須要對光伏系統(tǒng)進(jìn)行最大功率追蹤控制。光伏系統(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行取樣，假設(shè)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(shè)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(jìn)行比較，如果擾動后的功率P2大于擾動前功率P1，則說明當(dāng)前工作點位于最大功率點左側(cè)，擾動方向是正確的，應(yīng)該繼續(xù)按這個方向增加擾動；反之，說明當(dāng)前工作點位于最大功率點的右側(cè)，應(yīng)該向反方向增加擾動。擾動觀察法簡單易懂，容易實現(xiàn)，但也存在某些不足，例如步長為一個定值，很容易導(dǎo)致工作點在最大功率點兩側(cè)振蕩運行，造成功率損失；此外，當(dāng)外界環(huán)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(shù)值的大小關(guān)系的方法很容易造成誤判，結(jié)果使光伏電池長期偏離最大功率點工作。電導(dǎo)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(cè)，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(cè)時，dP/dU為負(fù)值。對光伏電池的輸出電壓和電流進(jìn)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(dāng)電壓差值不為零時，計算dP/dU，結(jié)合擾動量的正負(fù)值判斷工作點所在的位子。如果工作點在最大功率點左側(cè)，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(dǎo)增量法的優(yōu)點是能快速適應(yīng)氣候條件的變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，不受功率時間曲線的影響。但也存在控制算法較復(fù)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(shè)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(diào)制（PWM）模塊，經(jīng)處理后與載波進(jìn)行比較，輸出占空比（D），通過實時調(diào)整占空比的大小來控制Boost電路的輸出電壓和功率，實現(xiàn)最大功率追蹤控制。但是顯然，在控制精度方面電導(dǎo)增量法的優(yōu)勢尤為突出，而且不容易出現(xiàn)誤判，這種可靠性對供電質(zhì)量來說是非常重要的，所以本文選擇電導(dǎo)增量法實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率追蹤控制。
4光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真分析
如圖1所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池、Boost升壓電路、最大功率追蹤控制和負(fù)載四部分，依據(jù)上述分析分別建立了前三部分的仿真模型，負(fù)載使用純電阻性負(fù)載。建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，設(shè)定溫度為25℃，初始光照強(qiáng)度為700W/m2，在0.15s的時候，將光照強(qiáng)度提升到1000W/m2，仿真總時間為0.3s。所得仿真結(jié)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(qiáng)度由700W/m2跳變到1000W/m2，輸出功率曲線迅速爬升，經(jīng)過0.0311s的時間，功率達(dá)到172W，并穩(wěn)定在該值上下。由光伏電池的實際輸出特性可知，光照強(qiáng)度對功率輸出有很大的影響，且隨著光照強(qiáng)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(jié)果和理論一致，所以可得圖2：光伏系統(tǒng)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(jié)語
本文闡述了光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及各個子模塊的工作原理，對最大功率追蹤的原理進(jìn)行了詳細(xì)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(dǎo)增量法實現(xiàn)最大功率追蹤控制。在MATLAB/SIMULINK中建立了系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真結(jié)果證明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)最大功率的追蹤輸出，能夠滿足所接入負(fù)載的需求。而且，所建立獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅可以對直流負(fù)載供電，還可以進(jìn)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(wǎng)相同電壓和頻率的交流電，研究將其接入大電網(wǎng)或者對交流負(fù)載供電。
作者：蔣燕 袁泉 單位：湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院
