基于MATLAB并联光伏电站的建模与仿真*

2021-09-15刘明辉邵振华陈诚

福建轻纺 2021年9期

刘明辉，邵振华，陈诚

（1.厦门明翰电气股份有限公司，福建厦门3611101；2.闽江学院计算机与控制工程学院，福建福州350108）

1 引言

随着社会发展，生态环境问题引起了人们的重视，在不可再生资源短缺和生态环境日益恶化的情况下，清洁能源在能源利用和生态保护的地位逐渐凸显出来。太阳能是我们最常见的清洁能源之一，它能利用太阳光产生电能，即太阳能光伏发电。光伏发电利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能，其核心部件是太阳能电池。大面积太阳电池组件和功率控制器等共同构成了光伏发电系统，其安全性高、应用范围广、污染小、不需要消耗燃料和架设输电线路，能够实现就地发电与供电[1]。

光伏发电系统结构简单，主要由太阳能电池板、控制器与逆变器三大部分组成，其耐久力好，稳定性高，能够简单实现其安装和维护[2]。由于光伏发电系统能满足各种用电场合需要，已经被人们应用到科技、生活的各个方面。

为进一步研究光伏发电系统，本文对光伏发电系统的建模展开讨论。目前，科研人员已对光伏发电系统进行了大量研究。文献[3]根据光伏电池材料的不同建立了单二极管与双二极管的机理模型；文献[4]通过对含有逆变器的分布式电源进行建模，发现对于不同种类的分布式电源的外特性具有较好的拟合性，但是在不同分布式电源下其模型的参数有较大差异；文献[5]对光伏发电系统进行了详细建模，建立的模型比较复杂，仿真过程较长，不适用于大电网仿真。为继续优化光伏发电系统模型，本文利用MATLAB对其进行仿真，得到一个参数较少、结构简单的模型，建模过程简单并且能直观地呈现出复杂的光伏发电系统的运动特征。

2 光伏发电系统的构成与接线方式

2.1 光伏发电系统的构成

光伏发电系统由太阳能电池板、充放电控制器、储能电池组、交流配电柜，太阳跟踪控制系统等构成。其中：

发电电池阵列工作原理是在有光线或光照条件下电池通过吸收光能，在电池两端积累正负电荷而产生的“光生伏特效应”，进而电池两端产生的电动势差将光能转化成电能，完成能量的转换。常见的太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器则必不可少。逆变器按运行的方式分为独立运行与并网运行的逆变器，独立运行的逆变器用于独立运行的负载供电，而并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。

并网光伏发电就是将太阳能光伏发电系统与常规的电网系统连接，共同为用户供电。因为具有能直接将产生的电能输入电网的优点，光伏并联系统中的电网可以取代蓄电池，从而减小了能量损耗，降低了成本。对于独立运行的太阳能光伏发电站，并网光伏系统可以始终保持最大功率运行，提高太阳能发电效率，且其广泛且分散的分布能解决当地的用电需求，减小了电网的传输和分配负担。

2.2 光伏发电系统的接线方式

图1为并网光伏电站电气连接框图，假设光伏阵列处于稳定的工况下，此时光伏系统输出最大功率值以及直流端的MPP工作电压为一定值。在建模时，光伏阵列可以等效为电流源，设定光伏系统的最大功率Pmax；直流端等效为直流电压源，设定其电压幅值udc=800 V。其他主要参数设定如下：无功功率控制目标值Qref=0var；滤波电感；并网线电压Ugrid=380 V。

图1 并网光伏系统电气连接框图

3 MATLAB光伏建模与仿真

3.1 软件介绍

MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于数据分析、图像处理、信号处理和数据可视化等领域，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是Matrix&Laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室），它是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高级计算环境；Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，其提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。MATLAB高效的数值计算及符号计算，能极大程度简化建模过程，轻松的构建出复杂的模型系统并进行仿真与验证。

3.2 建模步骤

⑴ 打开MATLAB软件，进入其用户界面；⑵ 点击工具栏中Simulink Library的按钮；⑶ 在Simulink库浏览器的工具条上选择“新建”按钮，将打开一个空白的模型创建窗口；⑷ 接着在Simulink模块库中选择模块；⑸ 将找到的模块拖拽到模型创建窗口，对其进行连接；⑹ 对其设置完参数后，点击运行，可得仿真结果。