可再生能源发电系统仿真实验研究
刘小旭 范大林 牛奔 高连宇
针对独立运行的离网型小型光伏发电系统，为分析系统各部分工作特性及运行稳定性，设计一种基于MATLAB/Simulink软件环境的系统仿真实验方法。实验结果表明，该仿真实验方法可有效分析系统的工作状态，为发电系统运行优化设计提供重要支撑。
评估方法：以地区统调负荷最高时点统计出重载率，与上一年线路重载率实绩值进行比对，对重载率提高的情况以及具体重载线路进行原因分析，提出解决建议和规划方案。
引言：经济社会的发展离不开能源供给，在传统能源开发利用过程中，人们不得不面对资源日趋枯竭以及环境污染等问题。国内外科研人员都在不遗余力的寻找解决方法，其中研究和开发可再生的清洁能源成为业界的共识。风能和太阳能是两种应用广泛、技术相对成熟的可再生能源形式，两种发电形式依赖于太阳能和风能，因此适宜在风能和太阳能蕴藏较为丰富的区域开发。在一些位置偏远的边防哨所、科研基地以及民用生活设施，由于缺少电网的支持，依托持续电能供给开展相应的生产生活工作并不是易事。而在这些特殊区域搭建离网运行的小型可再生能源发电系统，可有效解决能源供应问题，并降低运行维护与布线施工成本。从我国可再生能源资源分布图来看，我国大部分地区具有可供开发利用的风能和太阳能。而在单一形式资源分布不足的区域，可采用增加装置功率、增加储能装置容量以及搭建多能互补系统等方法实现可再生能源的开发利用。可再生能源特别是太阳能和风能发电设备具有建设初期投资高、维护成本高的问题，这是无法避免的。单位功率发电成本过高，会严重影响发电装置与技术的普及应用。系统设计的不合理也会带来严重的问题，发电装置功率配置过高会带来严重的资源浪费，并提高系统运行维护成本；发电装置功率配置过低会威胁系统运行可靠性。风力发电和太阳能发电装置在运行过程中要依托当地的风能和太阳能资源，这两种资源本身具有随机性强和波动性强的特点，难以建立精确地数学模型，因此很难通过理论计算科学准确的得到系统电能输出值。通常采用系统搭建与实际运行分析的方法，实现发电系统各子系统的优化配置。随着计算机软件技术的普及，软件仿真优化设计方法正受到越来越多的关注。软件仿真实验具有实现简单、试验成本低的优势，将系统各组成部分进行软件环境下的数学模型描述，建立系统软件仿真模型，在相同的输入状态下，模型在软件中的输出结果与实际硬件系统的输出结果可以近似认为是等效的，误差取决于模型的估计误差。本文借助应用广泛的MATLAB/Simulink系统仿真实验环境，搭建离网型可再生能源发电实验系统，开展系统仿真实验研究，分析系统运行存在的问题，并完善系统发电装置在设计方面的不足。
一、仿真实验环境介绍
MATLAB软件是一款应用十分广泛的数据处理与计算类软件，其通过规定的语言与语法实现计算功能，对初学者要求相对较低。Simulink是MATLAB软件环境下的动态仿真组件，被广泛的应用于线性与非线性信号处理、控制系统以及电路动态系统仿真等研究工作。通过可视化的仿真环境，依据预先建立的系统仿真模型，利用软件库中各组件和元件搭建仿真实验系统，通过设置相关的实验运行参数，开展相应的动态仿真实验工作。实验过程中，输入输出特性分析，参数的修正和完善完全在软件环境中进行，实验的成本大为降低，实验的效率则大为提高。
二、仿真实验的建立与结果分析
考虑到太阳能具有分布广、蕴藏丰富的资源优势，独立运行的太阳能发电系统具有应用灵活、开发技术难度低的优势，是一种使用最为广泛的可再生能源开发利用形式。本文以独立运行的小型离网型光伏发电实验系统为研究对象，利用建模的方法搭建MATLAB/Simulink环境下实验系统各子系统仿真模型，开展仿真实验研究工作。
实验系统由光伏发电设备、电阻负载、储能蓄电池以及由基本电子元器件搭建的外围电路构成。光伏发电设备基于工程上常用的硅太阳电池数学电压-电流模型搭建，该模型是利用光伏电池工厂参数，求取特定温度与光照强度下的模型特征参数，利用特征参数建立起来的数学模型，模型最终形式为以光伏电池工厂参数为系数，以电池工作电压、工作温度和光照强度为自变量，以电池工作电流为变量的数学方程组。该方程组各元素可通过Simulink环境建立和封装，最终在软件环境中形成电压-电流模块，可作为仿真系统电路的元件之一，如图1所示即为光伏发电设备的模型。
虽然宋国之立国似乎要追溯到殷商，但宋国的始封君实实在在的却是微子启，微子启为避汉景帝刘启之名讳又称为微子开。据《史记·宋微子世家》记载，“微子开者，殷帝乙之首子而帝纣之庶兄也。纣既立，不明，淫乱於政，微子数谏，纣不听……微子度纣终不可谏，欲死之，及去，未能自决，乃问於太师、少师……遂亡。”“周武王伐纣克殷，微子乃持其祭器造於军门，肉袒面缚，左牵羊，右把茅，膝行而前以告。於是武王乃释微子，复其位如故。武王封纣子武庚禄父以续殷祀，使管叔、蔡叔傅相之。”
此外，实验系统的蓄电池部分可直接选用Simulink环境SimPower库中的蓄电池模型，按照硬件系统蓄电池的实际参数设置仿真模型参数，可作为元件接入电路中；此外电阻负载以及外围电路可直接在库中找到相应的元件，并依照硬件连接图搭建仿真电路。最终，光伏发电实验系统仿真实验模型搭建完成，添加相应的参数测量工具模块和窗口，依据采集的系统环境温度、光照等输入条件，开展仿真实验研究，软件环境观察结果与实际运行结果可以近似认为是等效的。通过软件仿真，观察发电装置输出、负载的电压电流以及蓄电池电压等参数，分析系统各部分的设计是否合理，并适当调整实验系统参数，实现离网小型光伏发电系统的优化设计与高效运行。
三、结论
本文以小型离网型光伏发电实验系统为研究对象，利用MATLAB/Simulink软件搭建与实际系统近似等效的仿真实验系统，结合仿真运行结果开展系统运行分析与优化工作，可有效降低实验成本并提高工作效率。
（作者单位：吉林建筑大学电气与计算机学院）
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