基于 Simulink 的光伏发电系统建模与仿真

杜庆贤 王 兴

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司大理局，云南大理， 671000 ）

摘要：太阳能是大自然中最重要的能源，是取之不尽、用之不竭、廉价、无污染、来源最稳定的能源。传统化石能源正在一天天减少，对地球环境的危害日益突出，同时，能源短缺的问题正蔓延至全球。太阳能发电在能源问题上发挥重要的作用，但因其辐射强度的不均匀性，导致其发电效力的不稳定。为了使光伏发电系统提供连续稳定的电能，基于Simulink环境下搭建了光伏电池模型，仿真及分析了光伏电池的输出特性。

关键词：光伏；建模；仿真；Simulink

1.引言

随着现代工业的不断发展，化石能源引起的环境问题日益严重，全球能源危机和大气污染的问题日益突出，在化石能源不可再生的情况下，可再生能源在环境保护及能源开发上的地位不断加重，很多国际早已面临能源危机，同时也在不断积极探索可再生能源的开发和利用^[1]。。

我国大力推广太阳能光伏发电，光伏发电阵列接入电网的数量越来越多，为了进一步研究光伏发电系统，本文利用Matlab/Simulink对其进行建模及仿真，建立一个光伏阵列的发电系统模型，用于研究其工作的各种特征。

2.光伏电池的建模及仿真

2.1光伏电池的数学模型

光伏电池是光伏发电系统的核心，是将光能转换为电能最基本的单位，当其受到光照时，光伏电池的内部电荷移动从而产生电流和电动势。

光伏电池的等值电路图如图1所示。

图1 光伏电池的等值电路图

其中， 为光生电流； 为无光照时流过二极管PN结的电流； 为旁路漏电流； 为为并联旁漏电阻，数量级为 ； 为光伏电池加负载 后的输出电流。开路电压的大小与所处环境时的辐照强度为底的对数值成正比，与环境温度成反比。

根据基尔霍夫定律，光伏电池正常运行时的电流方程表达式为：

（1）

通常情况下， 小于二极管正向导通电阻，故可以认为 ，且

（2）

所以式1可以表示为：

（3）

式（3）为光伏电池的输出电流表达式，一般情况下，电池制造商会提供在标准情况下（光谱 ，光照强度 ，环境温度 ）时的参数： —光伏电池短路电流； —光伏电池开路电压。

2.2 光伏电池建模

根据上一节分析，得到了光伏电池的工程数学模型，在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型，如图2所示：

图2 光伏电池模块内部图

本文使用的光伏电池基本参数如表1所示。

表1 光伏电池参数表

2.3 仿真分析

光伏电池的输出特性主要指输出电流与输出电压之间的关系和输出功率与输出电压之间的关系。光伏电池的伏安特性具有较强的非线性，在大部分工作电压范围内输出电流基本恒定与短路电流相当，但当输出电压接近开路电压时电流下降得很快，使得输出功率为一个单峰函数，具有一个最大功率工作点。

考虑到环境温度和光照强度对于光伏电池的输出特性都有影响，现在采用控制变量法，单独分析光照强度s或温度t改变时对于光伏电池输出的影响。

图3表示环境温度 恒定，光照强度s分别为1000 、800 、600 时，光伏电池的I-V特性及P-V特性。

由图3（a）可知，在温度恒定时，随着S的增加，光伏电池的输出电流 增大，且变化量较大；输出电压V有一定的增大，但变化幅度较小，当S增加时，P增大。

（a） I-V特性 （b）P-V特性

图3 温度为 时，不同光照强度下，光伏电池输出曲线

分析以上仿真结果，所建模型物理意义清晰，通用性强，满足工程所用模型对精确性的要求。

2.4 光伏阵列建模

光伏电池的单模块参数一般较小，单个电池的输出功率不足以满足负荷的要求，需将其经串并联形成光伏阵列。光伏阵列能够维持较高的输出电压水平并输出较大的功率。

本文建立的光伏发电系统额定功率为 ，建模采用的是峰值功率为325W的光伏电池，功率较低，所以需要将单个的光伏电池进行串并联，得到需要的功率值。这里采用8串5并的形式将光伏电池组成光伏电池阵列，即有5条支路相并联，并且每条支路上由个8光伏电池串联组成。光伏阵列各个参数分别为：

， ， ， ，输出功率为 。

本文使用控制变量法，单独控制光照强度和温度变化对于光伏系统输出的影响。

（1）光照强度s变化时的仿真分析

设定环境温度 保持不变，仿真时间为 。设定开始时的光照强度为 ，当 时光照强度降到 ，当 时光照强度又突变到 。按此得到温度恒定、光照强度变化时，光伏阵列的仿真波形。如图4所示。

图4 温度不变，光照强度变化时，光伏阵列仿真波形

分析图4的仿真结果，在t=0.06s左右时，光伏阵列的输出功率进入稳态，说明光伏阵列模型动态性能好；当0.3s时光照强度突然变为 ，这时，光伏阵列能快速地跟踪到新的最大功率点，且维持功率输出的稳定，波形平滑，波动小；然后当t=0.5s时，光照强度继续减小，变为 ，这时，光伏阵列也能快速地跟踪到新的最大功率点，且维持功率输出的稳定，波形平滑，波动小。

（2）温度T变化时的仿真分析

设定光照强度 保持不变，仿真时间 ，设定开始时的温度为 ，当 时温度升到 ，当 时温度又突变到 。按此得到光照强度恒定、温度变化时，光伏阵列模型的仿真波形。如图5所示。

图5 光照强度不变，温度变化时，光伏阵列仿真波形

分析图5的仿真结果，在t=0.1s左右时，光伏阵列的输出功率进入稳态，说明光伏阵列模型动态性能好；当0.3s时温度突然升为 ，这时，光伏阵列能快速地跟踪到新的最大功率点，且维持功率输出的稳定，波形平滑，波动小；然后当t=0.5s时，温度又升高，变为 ，这时，光伏阵列也能快速地跟踪到新的最大功率点，且维持功率输出的稳定，波形平滑，波动小。

3.总结

本文基于Matlab/Simulink环境下建立了光伏发电系统的模型，并对其进行模拟仿真及综合分析，本文的光伏发电系统模型能维持功率输出的稳定，该模型下的光伏发电系统结构简单，输出稳定，能有效模拟出光伏发电时的过程特征，为光伏发电的建模及仿真提供了借鉴和方法，以期进一步推进光伏发电技术。

参考文献

1. 张全生. 浅述光伏发电系统的作用及现状[J].科技创新导报,2010(11):58.

2. 王善立,龙军.含分布式储能的光伏发电系统建模与仿真[J].电源技术,2016,(10).1973-1975,2047.

[3] 李亚辉．含分布式光伏电源的配电网保护方案及故障定位研究[D]．成都：西南交通大学，2013．