【《光伏发电系统原理及模型分析》4100字】

光伏发电系统原理及模型分析目录TOC\o"1-3"\h\u24671光伏发电系统原理及模型分析 114541.1引言 1194171.2光伏电池原理及其数学模型 1307891.3光伏电池仿真模型 4211631.1.1光伏电池模型 4202641.1.2分析不同工况下的光伏电池输出特性 5303573．4光伏发电系统的最大功率跟踪策略 7107101.4.1固定电压法（CVT） 7212231.4.2扰动观察法（P&O） 843281.4.3电导增量法（INC） 9261741.5光伏发电系统仿真模型及结果 101.1引言光伏发电系统是由很多个光伏电池单元通过组合而形成的，要建立光伏发电系统模型，必须先对光伏电池进行分析，然后在将其和其他模型构成所需的光伏发电系统。本章将介绍光伏电池的相关数学原理模型，再利用仿真软件构筑本章所需的仿真模型，然后通过控制变量法改变光照和温度对光伏电池的输出特性进行研究，最后详细介绍几种与光伏电池相关的最大功率跟踪的途径。1.2光伏电池原理及其数学模型众所周知光伏电池是利用来对光能进行转化的，它转化原理的核心被称为光生伏特效应[30]。对于电池内部P-N结的产生的光伏效应简图可看图3-1，用文字可以解释为，当光伏电池的表面接触到太阳光时，电池内部受日光的影响会有光电子－空穴对两种不同性质的电荷产生，在电场的作用下，两种性质不同的电荷不会待在一起，它们会自动找到属于自己的位置，因此会分开并向电池两端移动，随着电池两端这两种不同的电荷堆积，慢慢在两端就会产生所谓的“光生电压”。目前，光伏电池家族已有多种类型，就列如用晶体硅为材料的单晶硅，多晶硅光伏电池；除此之外还有非晶硅光伏电池以及砷化镓光伏电池，其他有机聚合物光伏电池等等。图3-1光生伏特效应原理图在了解光伏电池工作的理论知识后，可以采用单只二极管同太阳光生电流源并联起来形成的等效电路用来表示光伏电池的发电[31]，由于实际工作中，必然存在损耗，于是在电路中假设存在相应的附加串联电阻Rs和附加并联电阻Rsh，目的是减小未考虑损耗产生的误差对仿真的影响，以此更加贴近实际的去表示光伏电池的工作情况。图3-2光伏电池的等效电路图根据图3-2可知 (3-1)在图3-2中，光伏电池输出电压，输出电流用Upv和Ipv来表示；Iph为光生电流；ID为流过二极管的电流；Ish是光伏电池的漏电流。漏电流Ish通过式3-2表示，ID (3-2) (3-3)其中，I0代表理想二极管的饱和电流(A)；q表示电荷常数，一般取1.6x10-19C；A是二极管系数，通常取1.0~1.0；T被称为电池内部绝对温度(K)；K则是波尔兹曼常数，大小为1.38x10-23J/K。联立上述三条公式，可用式3-4表示光伏电池的输出特性： (3-4)由于在一个理想的光伏电池中，往往假设其并联的附加电阻Rsh非常大，一般可以忽略不计。因此可以不考虑式3-4最后一项。光伏电池用在建模上的数学模型可用下列的式子表示[32]： (3-5) (3-6) (3-7) (3-8) (3-9)在上述式子中，Upv和Ipv为分别为电池的输出电压和电流，Tref是标准电池温度，Sref为标准光照强度，T和S分别为当前时刻，温度和光照强度，详细的参数含义和取值可见表3-1。表3-1电池参数参数名称参考值开路电压Uoc44.2V短路电流Isc5.29A最大功率点电压Um35.4V最大功率点电流Im电压补偿系数a电流补偿系数b附加串联电阻Rs4.95A0.0060.2210.5Ω1.3光伏电池仿真模型1.1.1光伏电池模型一个完整的光伏发电系统由很多个光伏电池组合而成，所以要建立光伏发电系统必须先对其单元模型——光伏电池进行建模，光伏电池模型见图3-3，其中参数设置可看表3-1。图3-3光伏电池模型完成将光伏电池封装成子系统的操作后，进行下图有关的连接，连接后主要采用控制变量法研究它在不同的工作情况下的输出特性，，这样才好分析单因素如仅改变温度或者单独改光强等对其输出的影响。图3-4光伏电池输出特性仿真模型其中，蓝色的模块即为封装了的光伏电池模型。1.1.2分析不同工况下的光伏电池输出特性要了解不同控制条件下光伏电池输出情况，必须采用单一变量的原则进行研究才能得到有说服力的结论。因此，在图3-3,3-4的仿真模型，利用控制变量法进行参数调节。第一种情况：温度的数值大小分别设置为30℃、50℃、70℃，但是光强数值大小1000W/m2始终不变，得到I-U、P-U曲线图如下：图3-5光强不变，温度变化时I-U特性曲线图图3-6光强不变，温度变化时P-U曲线图由图3-5可以得出的结论是：保持光强大小不变时，随着温度条件的改变，光伏电池的输出电压受影响程度比较高，而电流受温度的影响不大，因为在随着温度下降过程中，输出电压的值会升高，且前后变动的幅度较大，而输出电流数值很靠近，影响不大。图3-6得出的结论是：温度越低，光伏电池输出的功率越高，从曲线可以看出温度为30℃的红线峰值远比温度为70℃的蓝线要高。因此，光伏电池在低温下工作效果可能会更好。第二种情况：光照强度的数值大小依次调成：700W/m2、1000W/m2以及1300W/m2，但是温度T=30℃始终不变，得到I-U、P-U曲线图如下：图3-7温度一定，改变光强时I-U特性曲线图图3-8温度一定，改变光强时P-U曲线图依图3-7可得出的结论是，当温度保持不变时，输出的电流和光照强度是正比关系。这可以从光强比较大的蓝线始终在其他两条线的上方看出来，且电流受光强的影响变动幅度较大，而电压变化很微小，尤其是当输出电流很小时电压变化量几乎可以忽略不计。而在图3-8上，蓝线也始终在红，绿线上方，说明温度不变时，受到越强的光照射，电池能够输出的功率也就越高。因此，温度不变，提高光强可以提高光伏电池输出的电流和功率。3．4光伏发电系统的最大功率跟踪策略由上面一节的介绍，光伏电池的工作会受到外界环境的干扰，尤其是光照强度和温度这两种因素对其功率输出影响是最大，一般来说光伏电池输出功率曲线都是单一峰值的，为了获取更大的利益，我们需要找到这个峰值所在的点，通过控制算法寻找这个最大功率点的过程，就叫做光伏发电的MPPT，也称为最大功率跟踪。光伏MPPT的实现是一个动态寻优的过程[33]，利用算法自动找寻功率峰值。能够用于光伏阵列MPPT的控制算法有很多种，每一种都各有优劣，我们在选取时，要根据自己的设计要求，选取合适的算法，从而获得更大的好处。目前光伏方面研究的主要控制策略有很多种如：固定电压法、扰动观察法、功率反馈法、增量电导法、模糊逻辑控制法、最优梯度法等等[34]。在本章节中，我将简单介绍固定电压法，扰动观察法以及电导增量法这三种比较常用的MPPT。1.4.1固定电压法（CVT）由图3-8得到的信息，在光照强度以及温度一定的条件下，光伏阵列的最大功率点所在位置，并不会随着其工作电压的变化而变动，这也说明了有一个固定的电压Um，使光伏阵列在当前温度以及光强的情况下，有最大功率输出。固定电压法，正是利用了这一点，通过控制电压，使其运行电压稳定接近Um甚至等于Um，达到最大功率跟踪的目的。利用这种方法去实现追踪最大功率，它的优点显而易见，控制简单，使用起来也很方便，成本也较其他方法低，稳定性也较高，但是其缺点也十分明显，不能保证精确度，因为固定电压法，没有将环境变化考虑进来，图3-6可以看出在不同光照下的单峰曲线的峰值的横坐标都有所偏移，因此利用这种方法追踪到的可能不是最大功率。1.4.2扰动观察法（P&O）扰动观察法是比较传统，发展也较成熟的一种寻优方法，它的原理与风力机的爬山法相似，简单来说可以分为三大步，首先必须知道当前的输出功率以及工作电压，所以第一步就是检测，然后第二步就是在前面获取的电压基础上，给它加上一个正向的电压扰动值，然后再次执行检测，得到新的输出功率，最后一步也是最重要的一步，可以说是这个方法的核心那就是判断，如若我们第二步检测出来的输出功率增大了，我们可以继续增加正向的电压扰动，如果检测出来的功率和第一步的功率相比较减小了，则我们在下一个周期就要加负向的电压扰动了，这也说明峰值在我们当前电压的左边，经过这样的多次寻找，我们肯定会寻觅到最大功率点所在的位置[35]。扰动观察法与前面提到的定电压法一样，结构比较简单，易于实现，对硬件的需求也不高，可以降低成本，同时它也考虑到了工作环境的温度以及光照强度的变化，所以成为了较为常见的一种光伏阵列跟踪算法。万物都不是十全十美的，它也存在着一定的缺点，当环境变化超出系统的范围，可能会产生误判或者失效，同时对步长的选择也很重要，过小或者过大都会影响到精度和响应速度，必须选择合适的扰动步长。图3-9扰动观察法流程图1.4.3电导增量法（INC）INC作为光伏发电系统热门的MPPT之一，它的核心是光伏阵列的电导变化量。由于我们学过的数学理论可知，当在光伏阵列P-U曲线峰值这个点时候，我们对它进行微分运算，肯定会存在有dp/du=0的关系，利用这一特点，INC原理可以分为两步，第一步同样也是进行检测另外加上微分运算，当我们得到dp/du>0时，说明峰值还没有到达，我们还需增大光伏阵列的输出电压，使其向右移；反之，如果第一步得到的dp/du<0则功率峰值在当前点的左边，第二步就要减小光伏阵列所输出的电压，当我们重复这两步，某次测到的微分值为0，这时候当前点即为我们寻找的最大功率点，此时只需要维持光伏阵列的输出电压即可得到功率峰值。电导增量法的能达到的控制效果很好，当外界环境变化的时候，也能实时跟随环境的变化，使输出的电压波动小，功率平稳输出。但是电导增量法采用了大量的微分计算来判别电压调整方向，导致该算法对系统的要求苛刻，因此要求传感器的精度要高，这无疑是让系统变得更加复杂，也让成本提高了。该方法简单的原理流程图可用图3-9来表示：图3-10电导增量法流程图1.5光伏发电系统仿真模型及结果1.5.1光伏发电系统模型整体的光伏发电系统模型由控制策略和升压电路以及封装的光伏电池模块构成。具体的结构图为3-11，模型图见图3-12。图3-11光伏发电系统结构图图3-12光伏发电系统模型对于其中的光伏电池模块也就是蓝色部分，由于上小节用的模型输出功率太小，远远不能达到发电系统的要求，因此要将前面的光伏电池单元模型采用串并联的方式组成光伏阵列。将单元光伏电池采用10串联6并联的方式，为了方便仿真，本文直接修改蓝色模块内的相关参数，即改为、、、。仿真时间设置为2s，电容C1为0.0005F，电容C为0.0005F，电感L为0.001H。图3-13光照强度变化图图3-14输出的电压波形图图3-15输出的