光伏陣列通用仿真模型的研究

光伏陣列通用仿真模型的研究

光伏系統(tǒng)模型的建立能源能源是目前發(fā)展速度的第二個積極因素。太陽能光伏發(fā)電過去15年平均年增長為15%,到二十世紀90年代末期以來,更是以30%以上的速度增長。目前,太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢是由小型獨立戶用系統(tǒng)向大型并網系統(tǒng)發(fā)展。由于太陽能的波動性和隨機性,光伏電站輸出的電能波動很大。隨著這種分布式光伏并網電站的容量越來越大,其輸出功率的波動對電網的影響不容忽視。研究分布式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)與電網系統(tǒng)的相互作用,已成為國際上大規(guī)模光伏并網電站應用領域的研究熱點,而計算機仿真技術則是研究這一內容的有效的技術手段。過去,光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真,大多是按照準穩(wěn)態(tài)理論來對系統(tǒng)各部件建模[1～2],對系統(tǒng)功率流進行計算,從而對系統(tǒng)的長期穩(wěn)態(tài)性能進行評價。但在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)性能的研究中,上述模型不能反映當太陽能輻射強度、環(huán)境溫度變化時,光伏電站運行狀態(tài)的瞬態(tài)變化以及這種變化對電網的影響。這就需要建立光伏電站的動態(tài)仿真模型。光伏陣列是分布式光伏并網電站系統(tǒng)的關鍵部件,其I-V特性是太陽輻射強度、環(huán)境溫度和光伏模塊參數(shù)的非線性函數(shù)。要實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真,首先一步是解決如何對光伏陣列I-V特性進行仿真模擬。該模型一旦建立,可用于模擬所研究系統(tǒng)的輸入電源。簡化的做法是把光伏陣列直接等效為直流電壓源。但該模型不能實時跟蹤太陽輻射強度、環(huán)境溫度變化和光伏陣列參數(shù)的變化,因而這樣的系統(tǒng)仿真不能反映上述參數(shù)變化對整個系統(tǒng)性能的影響。目前,有關這方面的工作,國內還未見公開發(fā)表的文獻。國外雖有涉及這方面的公開文獻,但所建模型主要針對特定的光伏模塊[3～4],因而缺乏通用性。Matlab/simulink仿真工具可用于復雜系統(tǒng)(連續(xù)的、或離散的或混合型的)的仿真,由于其強大的功能和方便、快捷的模塊化建模環(huán)境,而日益受到人們的重視。本文針對Matlab仿真環(huán)境,基于光伏模塊直流物理模型,開發(fā)了光伏陣列通用仿真模型。該模型考慮了環(huán)境溫度、太陽輻射強度、光伏陣列串并連數(shù)、光伏模塊參數(shù)(如標準條件下太陽電池的短路電流、開路電壓、最大功率點電壓、最大功率點電流、電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)等)對I-V特性的影響,并考慮了系統(tǒng)是否帶有最大功率跟蹤(MPPT)功能。本文給出了該模型在單相光伏并網系統(tǒng)仿真中的具體應用實例。結果表明,由于通用性強,該模型還可以方便地推廣應用于其它光伏系統(tǒng)(如,光伏水泵系統(tǒng))或風光復合發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真。1太陽輻射驅動下的三大特征典型的光伏電池(電流I-電壓V)、(功率P-電壓V)特性如圖1,圖2所示。圖1表示I–V、P–V隨太陽輻射變化而變化的規(guī)律。圖2則表示P-V隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律。由圖可以看出太陽電池I-V、P-V特性,與太陽輻射強度、環(huán)境溫度之間是高度非線性的。2mn光伏陣列的創(chuàng)建在實際應用中,光伏模塊通常通過串并聯(lián)的方式,組合成M×N光伏陣列(其中M、N分別為光伏模塊串、并聯(lián)數(shù))。因此,光伏陣列的I-V特性,就是實際需要的特性。2.1光伏陣列對應點電流的影響本文用于Matlab建模的光伏陣列數(shù)學模型如下:任意太陽輻射強度R(w·m-2)和環(huán)境溫度Ta(oC)條件下,太陽電池溫度Tc(oC)為:其中,R為光伏陣列傾斜面上的總太陽輻射;tc(degw--1·m2)為太陽電池模塊的溫度系數(shù)。設在參考條件下,Isc為短路電流,Voc為開路電壓,Im,Vm為最大功率點電流和電壓,則當光伏陣列電壓為V,其對應點電流為I:其中,考慮太陽輻射變化和溫度影響時,其中,Rref、Tref:太陽輻射和光伏電池溫度參考值,一般取為1kW/m2,25°C;α:在參考日照下,電流變化溫度系數(shù)(Amps/°C);β:在參考日照下,電壓變化溫度系數(shù)(V/°C);Rs:光伏模塊的串聯(lián)電阻(Ohms),由下式決定其中:ε:材料帶能,ε=1.12eV(硅);Ιm,ref,Vm,ref:參考條件下,光伏陣列最大功率點電壓和電流;Isc,ref,Voc,ref:參考條件下,光伏陣列短路電流和開路電壓;μV,oc,μI,sc:參考條件下,光伏陣列開路電壓和短路電流溫度系數(shù);Ns:光伏陣列各模塊的單元串聯(lián)數(shù);N:光伏陣列模塊的串聯(lián)數(shù);Np:光伏陣列模塊的并聯(lián)數(shù);Tc,ref:參考條件下,光伏電池溫度,一般設定為25?C。2.2牛頓法迭代解出最大功率點的電壓光伏陣列在任意太陽輻射強度、及環(huán)境溫度下的功率為由極值條件,dP/dV=0得:上式是個超越方程,可由牛頓法進行迭代解出對應最大功率點的電壓Vmax:當|Vk+1-Vk|<ε1時,Vmax=Vk+1上式中,Vk+1和Vk分別為V的第k+1次和第k次迭代值。ε1為迭代精度。Pˊ(Vk)和P″(Vk)分別是第k次迭代下P對V的一階和二階導數(shù)。將所得的Vmax代入(2)式,得Imax,,從而最大功率Pmax可由下式求得:3光伏陣列實時監(jiān)控基于上述數(shù)學模型,本文在Matlab環(huán)境下,利用simulink工具,并結合編寫S函數(shù),建立了光伏陣列的通用仿真模塊。圖3為光伏陣列Matlab仿真模塊內部結構,其中,sfunpv為S函數(shù),用來實時求解對應任意太陽輻射、環(huán)境溫度下太陽電池的最大功率電電壓Vmp和電流Imp。圖4所示為該模塊外觀,其中T,R,Vpv分別為實時環(huán)境溫度、太陽輻射強度和光伏陣列的工作電壓,Iout為光伏陣列輸出電流,根據(jù)系統(tǒng)是否帶有MPPT輸出電流可以是Imp或對應Vpv的實際陣列電流Iout;Vmp為光伏陣列最大功率點的電壓;d為接地點。在光伏陣列matlab仿真模型內部封裝了參數(shù)tc、Tref、Rref、a、b、Isc、Voc、Im、Vm、MPPT等參數(shù)。用戶可通過點擊圖4所示的圖標,得圖5所示用戶交互界面,方便地設置上述參數(shù),從而構成不同I-V特性的光伏陣列。當用戶通過圖5選中最大功率跟蹤時,Iout輸出的就是最大功率點的電流.4光伏陣列對系統(tǒng)的仿真把上述光伏陣列Matlab通用仿真模型,用于單相光伏并網系統(tǒng)的動態(tài)仿真。該系統(tǒng)的Matlab模型如圖6所示。其中,系統(tǒng)輸入電源為本文所建立的光伏陣列模塊。DC-AC逆變模塊為Matlab自帶的通用逆變橋。當光伏陣列的參數(shù)設置如圖5所示時得到系統(tǒng)仿真結果如圖7至圖9所示。其中,圖7為光伏陣列輸出電流隨太陽輻射強度的變化情況。在t=1s,t=2s時,太陽輻射強度分別從1000W/m2降至800W/m2和600W/m2,光伏陣列輸出電流也從10.65A分別降至8.45A和6.25A。圖8為逆變器輸入端的電壓隨太陽輻射強度的變化情況。由于采取的控制策略為固定調制比方式,因此,逆變器輸入端的電壓有所下降。圖9為逆變器并網電壓、電流隨太陽輻射變化而變化的情況。從圖中可以看出,當太陽輻射強度變化時,并網電壓基0波幅值不變,而并網電流隨著太陽輻射強度的減小而減小。5光伏陣列模型的建立光伏陣列的I—V特性除了與光伏電池模塊參數(shù)及模塊串并聯(lián)方式有關以外,還與環(huán)境溫度,太陽輻射強度有關。因而光伏陣列實際上是一個與多個參量高度非線性相關的電源。實時模擬其I-V特性是研究光伏并網發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)性能的關鍵。本文根據(jù)光伏電池的物理數(shù)學模型,并結合編寫S函數(shù),開發(fā)了光伏陣列的Matlab通用仿真模型。實例計算表明,利用上述模型可以