基于MATLAB的光伏發電系統設計與仿真

朱永丹 向丹鳳

摘要：隨著傳統能源的衰竭，分布式系統電源接入配電網（DG）的作用和意義十分巨大，能夠改善現今能源緊張的局面，但也給配電網的管理和控制引入了新的問題。文章主要研究和分析光伏發電系統的具體結構以及對應基本工作原理，進而搭建相應的仿真模型，借助MATLAB針對構建的系統模型予以驗證。

關鍵詞：光伏發電;MATLB;MPPT算法

中圖分類號：TM615? ? ? ? ?文獻標識碼：A

隨著電力需求的日益增長，傳統能源日漸衰減，并引發了全球氣候變暖以及環境污染等問題，可再生能源的運用得到重視，例如風力發電、光伏發電等。分布式系統電源接入配電網（DG）的作用和意義十分巨大，在改善現如今能源緊張局面的同時，也給配電網帶來了新問題，包括增大短路電流、加大繼電保護的復雜程度、影響網絡的供電可靠性以及加劇電能質量的惡化等。文章以光伏發電為例，借助MATLAB來針對系統進行建模，并基于MPPT常見算法進行優化、仿真，為后續接入配電網提供基礎[1]。

1? 光伏發電系統結構及原理

1.1? 光伏效應

當太陽能表面存在光直接照射時，界面光電子將吸收光輻射出來的能量，同時處于共價態的N型硅和P型硅將處于激發狀態，并最終生成電子對。對于處在界面層的空穴和電子，它們實現復合以前需要借助電荷電場作用進而出現分離情況，此時電子以及空穴從N區朝著P區移動，因為在界面層存在電荷分離的作用和影響，進而使得P區連同N區里面生成了電勢能，能夠進行電壓檢測。在此種情況下，將硅片兩側電極和電壓表進行連接，大多數硅晶體太陽能電池電壓一般為0.5～0.6 V。隨著光照的出現，電子和空穴數量將在界面層不斷提升，此作用的效果便是導致電流值不斷提升。若被吸收的光能不斷提升，則界面層對應電池面積將逐漸增大，此時在太陽能電池里面將產生更大的電流。

1.2? 原理及結構

從原理層面來看，光伏發電主要是借助半導體材料自身的特性，即在金屬表面存在光照，這時金屬表面的電子將吸收這些能量。電子吸收的能量大到一定程度時，就能克服金屬內力做功。此時金屬表面電子將溢出，我們通常將這些遷移的電子稱作光電子。硅原子通常包含的外層電子有四個，如果將五價元素磷引入純硅里面，那么此時將形成N型半導體。而在純硅中摻入三價元素硼，則將形成P型半導體。N型和P型參雜在一起的情況下，在接觸面將存在電動勢能，進而構成太陽能電池。如果在P-N結面上存在太陽能照射，那么空穴將從P區朝著N區流動，最終構成電流。

從結構上來看，光伏發電主要包含電能轉換設備以及光伏電池兩個核心部分，工作原理是光伏電池吸收太陽能進而轉變成為電能，實現電流和電壓的輸出，最終進入MPPT里面予以控制，針對最大功率點進行跟蹤。同時借助輸出脈寬來針對占空比進行調整，從而經過產生的PWM波驅動直流斬波器，最后輸出的電壓為所需負載供電[2]。

2? 光伏發電的影響

2.1? 功率穩定性

從功率穩定性方面來看，太陽能光譜將對光伏發電穩定性產生影響，此外，還有如下幾個方面因素（主要包含陰影、電池結構、環境溫度以及光照強度等）對輸出功率穩定性造成影響。

2.1.1? 光照強度

通常情況下，若光照強度值越大則代表光伏電池能夠產生的輸出功率越高，如若氣候因素使得光照強度出現巨大波動，此時系統輸出功率同樣會發生較大變化。

2.1.2? 溫度

光伏電池溫度提升，工作效率將降低。溫度每升高1 ℃，其對應的每塊光電池的電流增量大約是1%;溫度上升1 ℃，系統輸出功率通常就會降低40%。如果光伏電池自身使用的材料存在差異，那么材料溫度系數也將不同，功率穩定性也就隨之變化。故而溫度系數是影響光伏電池功率穩定性的因素之一。

2.1.3? 陰影

光伏組件上面存在的陰影將導致電池對應輸出功率發生變化。故而需要降低陰影，清理組件表面的陰影物，避免熱斑效應出現。如若將單個光電池覆蓋，將導致電池組輸出功率降低75%。由此可見，在場地選擇中應將陰影作為重點考慮要素。

2.2? 諧波間諧波

作為發電并網十分關鍵的部分，逆變器的影響十分顯著。假如針對器件進行頻繁操作，將產生諧波分量，進一步對電網造成諧波污染。如若針對光伏發電輸出電流進行調制，將出現簡諧波、交流側特征諧波以及非特征諧波等[3]。同時，為了能夠在不同濕度或者光照條件下實現光伏發電系統的最大輸出功率，一般會采用最大功率點跟蹤。然而跟蹤最大功率往往會導致直流側存在電壓波動起伏的情況，將促進間諧波和側諧波出現。

3? 光伏發電系統模型建立

3.1? 光伏電池

光伏電池的輸出特性與光伏表面太陽光照射的強度、電池材料及光伏電池的表面溫度等綜合條件有關系，其等效電路圖如圖1所示，Iph指的是光生電流，如若光伏電池處于工作狀態，光生電流是保持不變的。

Id代表的是光伏電池在短路情況下的對應電流值。一般光生電流包含兩部分，一部分流經正向偏置P-N結二極管，另一部分流過負載。圖1中Rs指的是串聯電路電阻，主要包含金屬電極電阻、半導體材料電阻以及接觸電阻。Rsh指的是旁路電阻，主要是由電池表面污染以及半導體晶體缺陷產生的漏電引起的。由等效電路圖寫出光伏電池方程式，如式（1）所示。

（1）

3.2? MPPT算法

MPPT算法能夠針對太陽能電池陣列等效阻抗進行調整，進而確保不同環境條件下光伏系統均能夠以峰值功率點運行。MPPT算法包含多種類型，即干擾觀測法、恒壓跟蹤法以及電導增量法。

3.2.1? 恒定電壓法（CVT）

光伏電池處于最大輸出功率運行狀態下的電壓一般是開路狀態對應電壓值的0.7～0.9倍，那么可以借助特定阻抗變化確保系統構成一個穩壓器，即確保光伏系統工作電壓處在Vm附近區域。然而在溫度發生改變的情況下，光伏列陣對應工作電壓同樣會發生改變，故CVT算法會導致功率出現損失，尤其是在溫度大幅度提升的情況下，系統設定工作電壓和光伏列陣輸出伏安曲線之間不會存在交叉點，現如今，CVT算法已經被其他更優異的算法所取代。

3.2.2? 擾動觀測法

一般情況下，光伏組件的P-V曲線是以最大功率點為峰值的單峰曲線，利用一定周期內對光伏組件電壓進行擾動，對比擾動后光伏組件輸出功率變化趨勢的電壓調整方向。該算法在追蹤過程中使用了微分原理，以?P/?V代表dP/dV，如若dP/dV=0情況下，即代表跟蹤的對應輸出功率為最大值點位。從本質層面看，擾動觀察法主要是針對占空比進行調節，以維持系統的高功率輸出狀態。這種方法結構簡單、被測參數少、容易步長選取不合適，進而導致輸出功率在最大位置附件徘徊，最終使能源浪費。此外，在環境發生改變的情況下，會存在誤判的可能[4]。

3.2.3? 電導增量法

從原理層面來看，擾動觀察法和電導增量法是一致的，都是通過改變電壓來觀察功率再確定電壓的下一步調整方向，但對功率的求導算法不同，算法為：

（2）

當光伏電池工作在最大功率點時，功率對電壓導數為0，即：

從數學層面來看，借助擾動觀測法用dP來表示功率差值△P，但是從增量電導法的思維角度則是借助dP表示功率全微分VdI+IdV。由此可見，相對前者增量電導法更加精細準確，因此本文采用電導增量法。

4? 系統設計與仿真

經過前文內容分析，構建模型如圖2如示。

由圖2可知，光伏陣列等效電路封裝在PV模塊中，采用電導增量法的MPPT控制算法則保存在工作空間的PV-MPPT.m文件，且封裝在MPPT模塊中。當太陽輻射為800 W/m2時，MPPT控制算法的光伏發電系統的功率輸出曲線如圖3所示，其PWM占空比輸出曲線如圖4所示。

由圖3可以看出，采用電導增量法實現MPPT功能能夠使光伏發電系統的功率輸出快速地穩定在最大功率點附近，且系統響應沒有超調，能夠獲得很好的動態特性。當系統實現MPPT功能時，PWM占空比維持在35%～38%之間。

當太陽輻射從400 W/m2升至800 W/m2時，光伏發電系統的功率輸出曲線如圖5所示。仿真過程中，光照變化的時間設定為10 s。

根據圖5可以發現，當光照產生變化時對應輸出功率同樣產生改變。

太陽輻射強度為400 W/m2時，系統穩定后的功率輸出為40 W。太陽輻射強度突變至800 W/m2時，15 s后，系統的輸出功率上升至最大，為70 W。

由上可見，采用相關電導增量MPPT算法后，在太陽輻射強度發生波動的情況下，即便處于不同環境里面，光伏發電系統依舊能夠快速跟蹤到。

（責任編輯：侯辛鋒）

參考文獻：

[1]魏力，宋菁，張高峰.基于牛拉法的分布式電源接入對配電網潮流的影響[J].智能電網，2014（7）：29-36.

[2]桑靜靜，趙慶生，何志方.光伏并網對配電網電壓及網損的影響[J].可再生能源，2013（4）：11-14，19.

[3]楊艷芳.分布式電源并網后配電網調壓問題的研究[D].保定：華北電力大學，2008.

[4]劉磊，江輝，彭建春.分布式發電對配電網網損和電壓分布的影響[J].計算機仿真，2010（4）：279-283.