带有MPPT 功能的光伏阵列的通用建模与仿真

呼忠权

（燕山大学河北省工业计算机控制工程重点实验室，河北 秦皇岛 066004）

【摘　要】为了克服单纯用Simulink元件库建立光伏阵列模型过程复杂的缺点，利用光伏阵列输出特性方程和MATLAB/Simulink建立了基于M函数的光伏阵列最大功率控制的通用仿真模型。将该通用模型用于单相光伏并网系统MPPT中，并在不同光照强度下，对单相并网系统进行仿真实验，仿真结果表明：该模型能快速找到新的工作点，并保持稳定，具有良好的动态特性和强鲁棒性。

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关键词 光伏阵列特性；光伏并网；MPPT；MATLAB仿真

0　前言

随着传统能源的日趋枯竭，环境污染等问题日益凸显，太阳能作为一种替代能源的重要地位已不可忽视[1]。而如何有效的利用太阳能则成为了当今的热门研究课题。对于光伏发电系统的仿真，通常采用的方法是按照准稳态理论来对系统各部件进行建模。但在光伏并网发电系统动态性能的研究中，光伏发电站运行时，对于太阳光照强度、环境温度的变化，常规模型很难反映其对电网的影响。这就需要建立光伏阵列的动态仿真模型[2]。光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部件，其I-U特性是太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数，由于该模型不能实时反映上述参数变化对整个系统性能的影响。鉴于MATLAB/Simulink仿真工具可用于复杂系统的仿真，利用光伏模块直流物理模型，建立光伏阵列通用仿真模型。将上述光伏阵列的通用仿真模型用于单相光伏并网系统的动态仿真，进而解决光伏阵列模块建模通用性问题。

1　MPPT通用模型

1.1　光伏电池原理

太阳能是一种辐射能，可以利用能量转换设备将其转换为电能，这种把光能转换为电能的装置主要是光伏电池。光伏电池是一种基于光伏效应特性的可以把光能直接转换成电能的半导体器件。所谓的光伏效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。在气体，液体和固体中均可产生这种效应。在固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对较高。

光伏电池实际上是一个PN结。通常用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质。为了在光伏发电系统的设计中，更好的分析光伏阵列的电性能，使其与光伏控制系统匹配，进而达到最佳的发电效果，需要建立光伏电池数学模型[3]，来反映光伏电池各项参数的变化规律。

其中，IL表示输出电流，UOC表示开路电压，I0表示反向饱和电流，TC表示光伏电池温度，Iph表示光生电流，q表示电子电量，A表示理想因子，Rs表示串联电阻。

1.2　光照强度和环境温度对光伏电池的影响

光伏电池是一种将太阳能直接转化为电能的器件，是半导体光电二极管按照一定的规律组装而成，其发电量受光照强度和环境温度等因素影响。

在25℃时，不同太阳光照强度对太阳能电池电压和电流的影响曲线如图3所示。在光照强度分别为0.6W/m2、0.8kW/m2和1kW/m2的阳光照射下，随着太阳辐射的增强，短路电流、开路电压和输出功率都随之变大，但开路电压变化不明显。

外界温度的变化会对太阳能电池的性能产生一定影响。根据太阳能电池的数学模型并通过仿真验证，分析在光照强度为1kW/m2的情况下，温度的变化对太阳能电池的性能影响如图4所示。

考虑太阳辐射和温度影响时，可得到下式：

其中，ISC表示短路电流，Umax表示峰值点电压，Imax表示峰值点电流，α表示电流变化温度系数，λref表示太阳辐射的参考值(1kW/m2)，Tref表示电池温度参考值(25℃)，λ表示太阳辐射强度

1.3　MPPT通用仿真模型的建立

光伏阵列在任意太阳辐射强度及环境温度下的功率表示为[3]：

为了将最大功率控制编入光伏阵列的模型中，基于MATLAB Function模块，将公式（２）编写成M函数，其功能是将M函数与Simulink有机结合起来，这样不但使仿真模型简单，而且大大降低了执行时间。至此，光伏阵列的MPPT通用模型就建立完成。

2　MPPT通用模型在单相光伏并网中的应用

将所设计的光伏阵列MPPT通用仿真模型应用于单相光伏并网系统中。具体过程是将光伏阵列所输出的最大电流送到逆变桥的正端，通过脉冲触发器触发逆变桥将直流电变为交流电并与单相220V进行并网，单相并网系统的MATLAB模型[4-5]如图5所示。

3　仿真结果与分析

将测量元件检测并网之后输出的单相交流电压与电流及电压基波幅值作为仿真结果，如图6所示，当太阳辐射强度分别从1kW/m2降至0.8kW/m2和0.6kW/m2时，并网电压基波幅值基本不变而并网电流随着太阳辐射强度的减弱而减小，电流幅值由22A逐渐降至12A。

通过以上仿真结果表明：在单相光伏并网中，所建立的MPPT通用模型能够构准确快速找到新的工作点并保持系统稳定。

4　结束语

通用MPPT仿真模型不仅能实现准稳态下的光伏系统仿真，而且当太阳光照强度、环境温度变化时，也能够很好的反映光伏发电站运行状态的瞬态变化以及这种变化对并网的影响。将光伏阵列通用MPPT仿真模型用于单相光伏并网系统的动态仿真，结果表明：该通用模型能够很好的反映太阳辐射度对发电系统的影响，进而说明验证了该光伏阵列通用模型能够应用于实际系统仿真研究中。

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参考文献

［１］虞华,郭宗林,陈光亚,等.新能源产业现状及发展趋势[J].中国电力,2011,44(001):83-85.

［２］Dincer F. The analysis on photovoltaic electricity generation status, potential and policies of the leading countries in solar energy[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011,15(1):713-720.

［３］廖志凌,阮新波.任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J].太阳能学报,2009,30(4):430-435.

［４］Wang X L, Yang L, Yan P. A New Engineering Model of Solar Array and MPPT Control[J]. Advanced Materials Research,2012,383:591-597.

［５］Nianchun W, Qingshan X. Model of SPG1786T-02E photovoltaic module in matlab simulink[J]. IEEE Trans. on Energy Conversion, 2007, 22(2): 439-449.

［责任编辑：汤静］