刘小平
中国能源建设集团湖南火电建设有限公司 湖南长沙 410000
摘 要：光伏发电是一种具有较好发展前景的新能源，随着近些年来我国经济的不断发展，光伏发电技术也得到迅速的发展， 在光伏发电的过程中，光伏矩阵是发电系统中重要的组成部分。在进行光伏发电的过程中，应根据发电系统的需要进行相应的光伏矩阵模型的建立，根据Matlab / Simulink的原理进行仿真模型的建立，以此来通过对光伏电池矩阵的特性进行可实施性的相关分析。并设定不同的温度和光度条件。通过改变照明强度，模拟跟踪算法的控制效果。通过仿真不难看出，想要在光伏发电的过程中，使发电系统具有良好的控制效果，就必须确保DC-DC变换器的电路的负载处于纯电阻的负载的状态。
关键词：光伏矩阵；最大功率点跟踪；DC-DC转换电路；建模；仿真分析
引 言：太阳能资源是我国可再生资源重最为清洁和可靠的能源之一。就目前来说，光伏发电是最佳利用太阳能资源的方式之一。我国十三五规划中明确提出分布式光伏发电的目标，即到2020年截止，我国的太阳能发电的装置将会达到110GW以上，其中分布式光伏发电将超过60GW。因此对光伏发电进行仿真具有十分重要的现实意义。由于光伏电池矩阵是光伏发电的重要组成，因此有必要对光伏矩阵进行深层次的研究，通常我们采用的是建模的方式来进行研究，由于建模方式本身具有较强的精度，能够有效模拟各种工况，但是此种方式在计算的过程中会涉及到较大的计算量，因此常常使用光伏矩阵原理实施模式，通过简化建模过程，进而获得光伏矩阵模型，但是该模型仅仅适应于光伏阵列功率的计算过程中，难以满足照明条件需求。为了有效保证光伏输出电流和电压恒定，保证恒定功率，可以采取Matlab / Simulink对光伏矩阵和最大功率点跟踪控制（MPPT）进行建模和仿真。通过对电池参数以及光强度和温度等参数实施分析进而实现光伏电池的最大功率输出。光伏发电系统通过光电效应原理来实现，通过光电效应制造出的太阳能电池组将太阳能转化为电能，光伏电池是光电转换的最小结构单元，且每个电池的电压约为0.45V，工作电流约为20~25mA / cm2。在对光伏电池实现串并联安装之后，变成光伏。
当太阳能电池连接负载时，这时候电流就会流过负载，并在负载的两端建立端电压。因此，太阳能电池可以通过负载曲线来实现操作。通过下图不难看出光伏电池的输出电压和输出电流在规定的温度和强度下的关系。光伏发电系统本身具有较大的非线性特点，也就是说其本身既不是恒定电压也是恒流源。在日照强度较为恒定的前提下，输出功率类似于抛物线，抛物线的顶点就就是最大的功率点，曲线的最大电压即是最大电压点，因此为了有效提高发电系统本身的转换效率，始终需要保证系统处于出于最大功率附近。光伏电池阵列的几个重要技术参数：1）短路电流（Isc）：保证既定温度和强度下的最大输出电流。2）开路电压（Voc）：既定强度和温度下的最大输出电压。3）最大功率点电流（Im）：在既定强度和温度下的最大功率点的电流。4）最大功率点电压（Um）：既定日光和温度下的最大功率下的电压。5）最大功率点功率（Pm）：太阳能电池矩阵在给定日光和温度下的最大功率。6）太阳能电池阵列在给定日光和温度下可输出的最大功率。
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1 光伏电池工程模型
随着人口的增长，人类对能源的需求急剧加大。20世纪人类利用的能源主要包括石油、煤炭和天燃气等不可再生能源。现在世界各国都在积极寻求可以替代的能源，太阳能就是各国能源发展的主要方向之一。太阳能光伏发电的过程不但没有机械转动部件而且也不消耗燃料，更不会排放包括温室气体在内的任何有害物质，具有无污染、无噪声的优点。太阳能资源分布广且取之不尽，用之不竭也没有地域的限制。因此，与其它新型能源技术相比，太阳能光伏发电是一种可持续发展的可再生能源技术。光伏电池是光伏发电的重要组成部分。一般来说，光伏发电主要是由光谱、光强度、短路电流以及光伏电池的功率点电流构成。本文借鉴路原理和Shockloy扩散理论，将光伏电池的单二极管电流的数学模型表示如下：其中Iph是光伏电池的输出电流，Rs是1级的串联电阻，Rsh是103级的并联电阻，I0是反向饱和电流，q是电子电荷，n是二极管因子，k是玻尔兹曼常数。 ，T是绝对温度[8]。根据以上公式，做出以下假设：（1）由于（V + RSI）/ Rsh与电池输出电流的大小差别很大，因此忽略不计。（2）由于RS << 2>管是导通电流，因此假设光电池输出电流等于其短路电流。因此，开路条件I = 0，V = VOC，最大功率点I = Im，V = Vm可以简化光伏电池工程的数学模型：由于电池工厂的变化和所提供的参数，作为光强度和温度的函数，参数更新值通过以下公式计算：根据上述光伏电池工程的数学模型，a = 0.0025，b = 0.5，c = 0.00288，通过Matlab / Simulink模拟光伏电池，并且一系列光伏电池和与光强度和电池温度相关的特性曲线为：通过模拟获得。 光伏电池的特性可以从以下仿真结果中得到：（1）光伏电池的特性和特性是非线性的; （2）在光伏电池的输出端存在电压，该电压引起光伏电池的最大输出功率; （3）电池温度恒定，光伏电池最大输出功率随光强的降低而降低; （4）光强恒定，短路电流随电池温度的升高而增大;电池温度恒定，短路电流随光强的增加而增大;光强恒定，开路电压随电池温度的升高而降低;电池温度恒定，开路电压随光强度的增加而增加。
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2 最大功率点跟踪算法
为了保证光伏发电始终处于最大功率处，经常采用的跟踪控制的算法，且最大功率跟踪过算法有导纳增量法和扰动观测法以及短路电流检测方法，电流扫描方法，神经网络控制方法，模糊控制算法寄生电容法，最优梯度法等。本文主要采用的扰动观测法，该方法在使用的过程中操作方式简单且成本低，干扰观测法中的干扰量主要是基于光伏电池端口电压实施计算的，保证光伏电池始终处于最大的功率处。如果在出现干扰之后增加光伏电池的功率，那么下一个电压的干扰方向相同，否则相反。截止目前，本文已经初步形成了包括光伏电池以及干扰观测方式、PWM信号发生器，DC-DC转换电路的仿真模型。在模拟的期间，光强度以及电池的温度就相当于阶跃信号，且将信号的功率控制在0.3S左右。通过仿真结果不难看出，如果电池的温度和光强发生变化时，通过调节光伏的电池功率会出现较大的波动，通过调节之后输出的功能波动较小。不难看出，最大功率点算法对于维持光伏发电的稳定性具有十分重要的意义。通过仿真结果证明，最大功率点算法通过调节功率，保证其小于最大功率点跟踪算法的功率波动范围。通过仿真结果不难看出，如果负载电感和出现纯电容时，可以通过最大功率点跟踪算法来抑制转换过程中出现的波动。
结束语：
本文在光伏发电系统仿真模型的基础上通过改变DC-DC转换电路的负载，通过对仿真结果实施分析保证光伏发电系统处于理想值。
参考文献：
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论文作者:刘小平
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/12/13
标签：光伏论文; 电池论文; 电压论文; 电流论文; 温度论文; 矩阵论文; 最大功率论文; 《防护工程》2018年第24期论文;