基于MATLAB的光伏发电系统设计与仿真

2020-12-28朱永丹向丹凤

中阿科技论坛（中英阿文） 2020年10期

朱永丹向丹凤

摘要：随着传统能源的衰竭，分布式系统电源接入配电网（DG）的作用和意义十分巨大，能够改善现今能源紧张的局面，但也给配电网的管理和控制引入了新的问题。文章主要研究和分析光伏发电系统的具体结构以及对应基本工作原理，进而搭建相应的仿真模型，借助MATLAB针对构建的系统模型予以验证。

关键词：光伏发电;MATLB;MPPT算法

中图分类号：TM615 文献标识码：A

随着电力需求的日益增长，传统能源日渐衰减，并引发了全球气候变暖以及环境污染等问题，可再生能源的运用得到重视，例如风力发电、光伏发电等。分布式系统电源接入配电网（DG）的作用和意义十分巨大，在改善现如今能源紧张局面的同时，也给配电网带来了新问题，包括增大短路电流、加大继电保护的复杂程度、影响网络的供电可靠性以及加剧电能质量的恶化等。文章以光伏发电为例，借助MATLAB来针对系统进行建模，并基于MPPT常见算法进行优化、仿真，为后续接入配电网提供基础[1]。

1 光伏发电系统结构及原理

1.1 光伏效应

当太阳能表面存在光直接照射时，界面光电子将吸收光辐射出来的能量，同时处于共价态的N型硅和P型硅将处于激发状态，并最终生成电子对。对于处在界面层的空穴和电子，它们实现复合以前需要借助电荷电场作用进而出现分离情况，此时电子以及空穴从N区朝着P区移动，因为在界面层存在电荷分离的作用和影响，进而使得P区连同N区里面生成了电势能，能够进行电压检测。在此种情况下，将硅片两侧电极和电压表进行连接，大多数硅晶体太阳能电池电压一般为0.5～0.6 V。随着光照的出现，电子和空穴数量将在界面层不断提升，此作用的效果便是导致电流值不断提升。若被吸收的光能不断提升，则界面层对应电池面积将逐渐增大，此时在太阳能电池里面将产生更大的电流。

1.2 原理及结构

从原理层面来看，光伏发电主要是借助半导体材料自身的特性，即在金属表面存在光照，这时金属表面的电子将吸收这些能量。电子吸收的能量大到一定程度时，就能克服金属内力做功。此时金属表面电子将溢出，我们通常将这些迁移的电子称作光电子。硅原子通常包含的外层电子有四个，如果将五价元素磷引入纯硅里面，那么此时将形成N型半导体。而在纯硅中掺入三价元素硼，则将形成P型半导体。N型和P型参杂在一起的情况下，在接触面将存在电动势能，进而构成太阳能电池。如果在P-N结面上存在太阳能照射，那么空穴将从P区朝着N区流动，最终构成电流。

从结构上来看，光伏发电主要包含电能转换设备以及光伏电池两个核心部分，工作原理是光伏电池吸收太阳能进而转变成为电能，实现电流和电压的输出，最终进入MPPT里面予以控制，针对最大功率点进行跟踪。同时借助输出脉宽来针对占空比进行调整，从而经过产生的PWM波驱动直流斩波器，最后输出的电压为所需负载供电[2]。

2 光伏发电的影响

2.1 功率稳定性

从功率稳定性方面来看，太阳能光谱将对光伏发电稳定性产生影响，此外，还有如下几个方面因素（主要包含阴影、电池结构、环境温度以及光照强度等）对输出功率稳定性造成影响。

2.1.1 光照强度

通常情况下，若光照强度值越大则代表光伏电池能够产生的输出功率越高，如若气候因素使得光照强度出现巨大波动，此时系统输出功率同样会发生较大变化。

2.1.2 温度

光伏电池温度提升，工作效率将降低。温度每升高1 ℃，其对应的每块光电池的电流增量大约是1%;温度上升1 ℃，系统输出功率通常就会降低40%。如果光伏电池自身使用的材料存在差异，那么材料温度系数也将不同，功率稳定性也就随之变化。故而温度系数是影响光伏电池功率稳定性的因素之一。

2.1.3 阴影

光伏组件上面存在的阴影将导致电池对应输出功率发生变化。故而需要降低阴影，清理組件表面的阴影物，避免热斑效应出现。如若将单个光电池覆盖，将导致电池组输出功率降低75%。由此可见，在场地选择中应将阴影作为重点考虑要素。

2.2 谐波间谐波

作为发电并网十分关键的部分，逆变器的影响十分显著。假如针对器件进行频繁操作，将产生谐波分量，进一步对电网造成谐波污染。如若针对光伏发电输出电流进行调制，将出现简谐波、交流侧特征谐波以及非特征谐波等[3]。同时，为了能够在不同湿度或者光照条件下实现光伏发电系统的最大输出功率，一般会采用最大功率点跟踪。然而跟踪最大功率往往会导致直流侧存在电压波动起伏的情况，将促进间谐波和侧谐波出现。

3 光伏发电系统模型建立

3.1 光伏电池

光伏电池的输出特性与光伏表面太阳光照射的强度、电池材料及光伏电池的表面温度等综合条件有关系，其等效电路图如图1所示，Iph指的是光生电流，如若光伏电池处于工作状态，光生电流是保持不变的。

Id代表的是光伏电池在短路情况下的对应电流值。一般光生电流包含两部分，一部分流经正向偏置P-N结二极管，另一部分流过负载。图1中Rs指的是串联电路电阻，主要包含金属电极电阻、半导体材料电阻以及接触电阻。Rsh指的是旁路电阻，主要是由电池表面污染以及半导体晶体缺陷产生的漏电引起的。由等效电路图写出光伏电池方程式，如式（1）所示。

（1）

3.2 MPPT算法

MPPT算法能够针对太阳能电池阵列等效阻抗进行调整，进而确保不同环境条件下光伏系统均能够以峰值功率点运行。MPPT算法包含多种类型，即干扰观测法、恒压跟踪法以及电导增量法。

3.2.1 恒定电压法（CVT）

光伏电池处于最大输出功率运行状态下的电压一般是开路状态对应电压值的0.7～0.9倍，那么可以借助特定阻抗变化确保系统构成一个稳压器，即确保光伏系统工作电压处在Vm附近区域。然而在温度发生改变的情况下，光伏列阵对应工作电压同样会发生改变，故CVT算法会导致功率出现损失，尤其是在温度大幅度提升的情况下，系统设定工作电压和光伏列阵输出伏安曲线之间不会存在交叉点，现如今，CVT算法已经被其他更优异的算法所取代。

3.2.2 扰动观测法

一般情况下，光伏组件的P-V曲线是以最大功率点为峰值的单峰曲线，利用一定周期内对光伏组件电压进行扰动，对比扰动后光伏组件输出功率变化趋势的电压调整方向。该算法在追踪过程中使用了微分原理，以?P/?V代表dP/dV，如若dP/dV=0情况下，即代表跟踪的对应输出功率为最大值点位。从本质层面看，扰动观察法主要是针对占空比进行调节，以维持系统的高功率输出状态。这种方法结构简单、被测参数少、容易步长选取不合适，进而导致输出功率在最大位置附件徘徊，最终使能源浪费。此外，在环境发生改变的情况下，会存在误判的可能[4]。

3.2.3 电导增量法

从原理层面来看，扰动观察法和电导增量法是一致的，都是通过改变电压来观察功率再确定电压的下一步调整方向，但对功率的求导算法不同，算法为：

（2）

当光伏电池工作在最大功率点时，功率对电压导数为0，即：

从数学层面来看，借助扰动观测法用dP来表示功率差值△P，但是从增量电导法的思维角度则是借助dP表示功率全微分VdI+IdV。由此可见，相对前者增量电导法更加精细准确，因此本文采用电导增量法。

4 系统设计与仿真

经过前文内容分析，构建模型如图2如示。

由图2可知，光伏阵列等效电路封装在PV模块中，采用电导增量法的MPPT控制算法则保存在工作空间的PV-MPPT.m文件，且封装在MPPT模块中。当太阳辐射为800 W/m2时，MPPT控制算法的光伏发电系统的功率输出曲线如图3所示，其PWM占空比输出曲线如图4所示。

由图3可以看出，采用电导增量法实现MPPT功能能够使光伏发电系统的功率输出快速地稳定在最大功率点附近，且系统响应没有超调，能够获得很好的动态特性。当系统实现MPPT功能时，PWM占空比维持在35%～38%之间。

当太阳辐射从400 W/m2升至800 W/m2时，光伏发电系统的功率输出曲线如图5所示。仿真过程中，光照变化的时间设定为10 s。

根據图5可以发现，当光照产生变化时对应输出功率同样产生改变。

太阳辐射强度为400 W/m2时，系统稳定后的功率输出为40 W。太阳辐射强度突变至800 W/m2时，15 s后，系统的输出功率上升至最大，为70 W。