-1-光伏電站全工況實時系統仿真研究摘要目前，我國的能源儲量和消耗總量在世界居前列。作為一個現代工業發展大國，對于各種化石生物燃料和再生能源的消費需求特別巨大，目前這個需求也正在快速不斷擴大。煤炭、石油、天然氣等能源的使用不斷加大，能源面臨短缺問題，現在已經不能夠滿足當前經濟發展的需求。近年來，我國從國外進口的石油量在不斷的增加。與此同時，這些化石能源對環境的危害也越來越嚴重，還引起了酸雨、氣候變暖等一系列環境問題。所以現在不得不尋求方法開發利用新能源和可再生能源，這樣既能有效緩解能源危機，又能減少CO2的排放量，對全球的生態環境以及氣候變暖問題的治理具有很大的作用。光伏發電是太陽能發電的一種形式，由于它的發電技術成熟、對環境要求低，目前作為主流的新能源發電形式之一。本研究課題以某光伏電站為主要參考對象，深入地研究了光伏電池在不同的光強和溫度下的電壓和功率輸出特點，在matlab/simulink仿真平臺上設計了光伏電站的全工況仿真模型，最后通過運行仿真改模型，驗證了該仿真模型的準確性和有效性。關鍵詞：光伏電站；MPPT；Simulink仿真目錄TOC\o"1-3"\h\u554第1章緒論 1294861.1課題研究背景及意義 134161.2國內外發展現狀 235611.2.1世界光伏產業發展現狀 269061.2.2中國光伏產業發展現狀 350321.3本文主要研究內容 49583第2章光伏發電系統工作原理 5108422.1光伏發電系統的基本工作原理 591582.2光伏發電系統的組成 6148922.3光伏發電系統的分類 623918第3章光伏發電系統建模 7135593.1光伏電池陣列 7195493.2逆變器控制 10180103.2.1逆變器基本結構 1023783.2.2MPPT控制器 1065153.2.3PWM發生器 1323290第四章光伏發電系統仿真驗證 1424514.1光伏電站仿真模型說明 1422194.2光照強度和溫度對光伏電池輸出結果的影響 14321014.3光伏電站模型實時仿真 17207714.4本章小結 2126708總結 2213040參考文獻 23第1章緒論1.1課題研究背景及意義隨著全球經濟的快速發展，能源的使用與經濟、環境的矛盾越來越突出。全球的能源使用出現了危機，并且引發了諸多環境問題。全球對能源的需求量正在持續高速增長。但是，地球上任何一種天然化石生物燃料的儲存量都應該是有限的，用完后就不會進行再生，現在已經被探測到的大部分石油和天然氣將在50年到100年的一段時間里全部使用完，煤炭將會在200年內使用完。其實，我國的能源總量是比較多的，而且在世界上的排名也比較靠前。即便如此，已經探測到的資源儲量仍相對不足。眾所周知，我國的人口相對較多，因此人均占有量相對較少，在世界上的排名較為靠后(表1.1)。表SEQ表\*ARABIC1.1世界及我國主要化石能源可采儲量情況能源類型世界可采儲量我國化石能源情況可采儲量占世界比例/%世界排名石油1686.3億t21.2億t1.314天然氣177.4萬億m1.9萬億m1.118煤炭8474.9億t1145.0億t13.53化石燃料能源所造成帶來的環境問題也日益嚴重，近些年來全球變暖的問題也日益嚴重，由此還會引發一系列問題，造成這些問題的原因主要是化石能源的使用排放的溫室氣體。世界上有些地區常年下酸雨，嚴重的已經無污染了水和土壤，這些都嚴重的影響了人類的生命健康和生活質量。在這樣嚴峻的形勢下，開發和利用新能源已成為一個亟待解決的重要問題。人與自然應和諧共處。人口增多與能源使用的快速發展，這一現狀已經促使許多發達國家在開始制定新一代能源發展戰略，當中有著明顯的能源政策方向引導，鼓勵發展新能源。目前已經開發利用的各種新能源當中，太陽能的開發利用潛力最大，并且具有無污染、價格低廉等優良特點，所以它的發展潛力是這幾種新能源中最大的。從地面收集的能量中，約9.98%來自太陽，其余0.02%為地下熱能。太陽能發電機可以將太陽能轉換成1.77×107MW的電能，相當于目前全球平均每年所需要生產電能的幾十萬倍，而且現在太陽能在好多領域上都有應用1.2國內外發展現狀1.2.1世界光伏產業發展現狀國際上對光伏發電的研究和開發具有領先地位的主要是美國、日本、德國等發達國。上世紀90年代以來，世界上的光伏系統產業迅猛快速增長。美國在1997年就提出了“百萬屋頂”建設行動計劃REF_Ref29875\r\h[1]，該建設項目目標是在一百多萬坐建筑的屋頂上安裝上光伏發電配套系統。1992年日本出現了第一次石油危機，該國在當年首次正式宣布提出了有名的“陽光計劃”，日本的光伏發電生產技術和光伏設備等產業從此開始得到了快速的發展，到了2003年，其光伏組件產量已經達到了當時世界較高水平，約占全球總產量的一半。當時世界十大制造商中，在日本就有四家。德國在2003年圓滿完成了之前提出的“十萬屋頂發電計劃”，之后又采取了一系列有力措施，對上網電價進行補貼，提高銀行貸款等。這一系類措施有效地促進了當時光伏產業的發展。之后一些歐洲國家也紛紛制定了光伏發展規劃，為了加快產業化進程，數個國家紛紛投入巨資進行光伏研發。時間到了2006年，世界光伏產業再次突破，已建成數十個兆瓦級以上的光伏系統，大型互聯光伏電站也已經達到了六個REF_Ref29953\r\h[2]。2018年7月，國際\t"/201807/17/_blank"可再生能源署發布關于可再生能源的統計報告。從報告中獲悉，2008年至2017年全球各國\t"/201807/17/_blank"光伏發電裝機量的詳細數據，2017年，全球太陽能發電累積安裝量已經達到384.62GW，相比于2016年，增長了92.42GW，從這些數據可以清楚地看出，全球光伏市場持續發熱。在一片發熱中，脫穎而出幾位佼佼者。經統計，全球累積安裝量前十的國家分別是中國，日本，德國，美國，意大利，印度，英國，法國，澳大利亞，西班牙REF_Ref29999\r\h[3]。表1.SEQ表\*ARABIC2全球主要地區的光伏累計裝機容量統計：MW地區年份2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年2016年2017年亞洲276334684922880913057342935693789296139266209460非洲751202112843606711553187829243630歐洲1048116922301285297271484817188853896987103555109481北美洲120517343159570889631305116837243743615044781南美洲2228588118622852596916143785大洋洲901144111416246132944065447948656129圖SEQ圖\*ARABIC1.1全球光伏累計裝機容量世界上很多有國家都制訂了今后光的發展規劃，美國、日本和歐洲等國家和地區都制訂出了今后的發展路線圖。在他們的規劃中，不僅有累計裝機的目標，還有一些成本目標和電池的效率目標。有專家預計，大約在2030年到2050年，光伏發電量將超過許多其它發電形式的發電量，到時候的環境問題也會得到很好的改善。1.2.2中國光伏產業發展現狀環境的日益惡化以及西方發達國家對光伏發電的快速發展使得我們國家近些年來十分重視光伏發電技術的發展。我國的光伏發電產業在快速發展的同時也面臨了許多困難，光伏發電技術在我國的發展還需要進一步的努力。隨著技術的不斷提高，我國的光伏發電技術基本實現了國產化，近些年來已經達到了世界高端水平。經過多年的技術和資金投入，我國在此領域也有了很大的提升和突破，目前的硅電池的能源轉換和利用效率也得到了很大幅度的改善。截至2007年，我國的光伏項目達到了三十余個，總裝機容量約10MW。之后我國也對光伏項目建設提出了明確的計劃和目標。近些年來，我國的太陽能電池產量也在大幅增加。據統計，我國在2015年的產量已經達到5800萬千瓦，約占全球總產量的65%。到了2019年產量繼續上升，約為12800萬千瓦，與2015年相比產量翻了近一倍。根據國家統計局數據顯示：2019年12月產量達到了128620715千瓦，同比增長26.8%REF_Ref31083\r\h[4]。圖1.SEQ圖\*ARABIC22015-2019年中國太陽能電池產量1.3本文主要研究內容本課題以某光伏電站為主要參考對象，主要目的是通過分析和理解其發電系統的基本工作原理和結構，了解完整的發電系統，并進一步深入研究了其電池組件在不同光照強度和不同溫度下的輸出特性，在matlab仿真平臺上搭建了光伏電站全工況仿真模型。完成了系統的仿真建模以及對其仿真建模的驗證，通過以上內容，對光伏發電技術有了深入的全面了解。第2章光伏發電系統工作原理2.1光伏發電系統的基本工作原理光伏發電系統的主要原理其實是運用了光電效應。當電池板吸收光照后，其中的載流子的濃度發生改變，分布情況也會發生改變。這樣就產生了電流和電動勢，這種效應稱作光電效應。光電池是系統的一個重要部分。其經過串聯和并聯后，經過封裝便組成了電池組件，再與功率控制器等相關的組件組成一個發電設備。光伏發電不受地區環境條件的限制，它的安全性相對較高，而且不產生噪音和環境污染，無需消耗燃料，只需給予光照就能把光能轉化為電能。目前，硅光電池已經廣泛用于光伏發電中，根據材料不同可分為單晶硅、多晶硅和非晶硅電池。單晶硅光伏電池在生產技術上比其他兩種電池更為成熟，目前已進入大規模工業化生產。單晶硅電池的發電過程如下圖2.1所示。在一塊完整的硅片上，P型硅通過在硅中添加一部分磷元素可得到N型硅，這樣就形成了具有單向導電性的PN結。當太陽光照射到其表面后，大部分光子就會被它吸收；這時候光子本身所帶的能量就全部傳給了硅原子，每吸收一個電子就會產生一對自由電子，產生的這些自由電子最終聚集在PN結的兩側，這樣兩端就有了電位差，此時外接電路，電路中就會有電流流過REF_Ref29163\r\h[19]。圖2.1光生伏特效應原理2.2光伏發電系統的組成太陽電池組件、控制器、逆變器是光伏發電系統的重要組成部分。由于光伏發電系統的可靠性和穩定性較高，所以在現實生活中被廣泛使用。現實生活中安裝一套光伏發電裝置非常簡單，而且維護它也挺簡單、且擁有使用壽命長、安全無污染等諸多優良特點，在一些公共場合，如路邊的路燈、十字路口的交通燈，都有該電源的運用，大到飛機、航天器、輪船、汽車，小到計算器還有一些小孩玩的玩具，光伏電源真的是無處不在。（1）太陽能電池組件它是系統中最基本的組件也是系統的核心部件，根據所用材料不同，又分為單晶硅、多晶硅、非晶硅等。通過對其串聯和并聯來達到系統的要求。（2）控制器是整個系統中最為重要的一個控制模塊。它的作用是調節和控制電池的充放電條件。具有功率調節功能以及防止負載過流和短路保護（3）逆變器根據系統是否并網分為兩種，它的作用是將系統產生的直流電轉換為交流電。一般采用脈沖寬度調制（PWM）處理器，經過調制、濾波等環節，最終得到正弦交流供電。圖2.2光伏并網發電系統2.3光伏發電系統的分類根據其組成結構通常分為獨立系統、并網系統和互補系統。由于不同的系統的特點和組成不同，其應用場合也不同。獨立發電系統：它是相對于并網系統而言的，它發出的電并不并入電網，其可靠性不高，而且運行的穩定性較差，受氣象和環境等因素影響，大都安裝了儲能和能量管理設備，以保證電力的正常使用。其主要應用于偏遠地區，并網發電系統：與獨立的系統相比，它是將系統產生的電能并入了電網，而不必再使用蓄電池來存放電能。其可靠性和穩定性較高，適用于大部分地區。互補發電系統：該系統是在光能發電的基礎上加入了風力發電，實現了風力發電、光伏發電及兩者的聯合應用，適用于風力資源豐富、海拔較高的地區。

光伏發電系統建模3.1光伏電池陣列理想的光伏電池等效電路如圖3.1所示。圖3.1光伏電池等效電路這里選用simulink中自帶的PVArrvy，如圖3.2為其PVArrvy的模型圖圖3.2PVArrvy模型圖

其各項參數如圖3.3所示圖SEQ圖\*ARABIC3.3PVArrvy各項參數3.2圖中的光伏陣列是由88個平行字符串組成。每個字符串有7個SunPowerSPR-415E模塊系列連接。Ir為光照強度，T為溫度。I=I（3-1）的式子中Rs和Rs?分別表示電池的串并聯電阻；Ip?為光照產生的電流：I0為二極管的反向飽和電流；n為二極管理想因數；T表示絕對溫度。其中Ip?、I可以通過以上幾個參數來表達出電池的I-V特性，但這樣求解的方法并不是最好的，因為求解它的話會非常的復雜，電池上一般都標注著標準狀況下的最大功率點的電壓Vm、電流Im和功率Pm、開路電壓Voc、短路電流Isc。但是如果用這幾個參數求Ip?、I0、n、Rs、Rs?的計算過程會特別麻煩。其中Rs?值比較大，Rs值I=I其中C1=(Isc當改變溫度和光照條件時，Voc、Isc、Vm、Im、Pm也改變其V和I值得到的I-V特性方程如下。ΔT=T?ΔS=ΔI=ΔV=?I'V'α=0.0012β=0.005I'其中的α和β分別表示標準光照下的電流、電壓溫度系數；S、T和Sref、Tref分別表示實際和標準狀況下的光照強度和溫度；I'和V'分別為（2）改變Voc、Isc、Vm、Im的值I'V'I'V'C'C'I=I其中ΔT和ΔS的算法同式(3-3)和(3-4)，a=0.0025，b=0.5，c=0.00288；I'sc、V'oc、I'm、電池組件的輸出功率表達式如式（3-19）。Pcell聯立（3-7）、（3-8）、（3-11）、（3-18）、（3-19）即得任意光照強度和溫度下的電池組件輸出功率模型。3.2逆變器控制3.2.1逆變器基本結構人們日常使用的電一般都是用的交流電，但是由于太陽能發的電是直流電，因此需要把直流電變成交流電，完成此功能的裝置便是逆變器。如圖3.4所示為逆變電路的基本結構。圖3.4逆變器的基本電路構成圖中的主逆變開關電路為此電路的核心部分，它的功能是通過改變開關器件的開合和關斷來實現逆變。控制電路主要是通過產生主逆變電路所需的脈沖信號，來實現開關的開合和關斷，配合其完成逆變功能。輸出和輸入電路主要是起濾波、隔離、補償、匹配等功能，對逆變電路輸出的功率、相位、電壓和電流幅值進行補償和校正。輔助電路為控制電路提供直流電壓。其中還包括輔助電源電路、指示電路和檢測電路。3.2.2MPPT控制器在一些內部阻值不變的供電系統中，可以采取讓外部阻值等于內部阻值的辦法來實現獲得最大功率，但是在光伏發電系統中，電池組件的內部電阻會因受太陽光照和溫度的影響而處于不斷地變化。所以無法使用上述的方式來實現最大功率。在光電系統中，一般會通過提高電池的轉換率來提高整個系統的工作率。那么就要要求電池要一直在其最大功率點一直工作，從而充分利用太陽能，提高了電池的轉換效率。該方法叫做“最大功率點跟蹤”控制，簡稱MPPT控制REF_Ref8544\r\h[6]。該控制是通過控制電池陣列的端電壓來使工作點與最大功率點重合。使陣列在最大功率點上工作。其通過這一系列的控制之后，光伏電池才會得到充分利用，從而改善整個系統的工作效率REF_Ref29264\r\h[18]。常見的算法有電導增量法、恒壓跟蹤法和擾動觀測法。其中電導增量法的精確度、響應速度和跟蹤性能也比其他三種方法高。它是通過比較光伏陣列的瞬間電導和電導增量來實現最大功率點跟蹤的，以下內容用來介紹電導增量法：光伏電池在正常光照條件下的輸出P-U特性曲線是單峰值函數，其極值為最大功率點，因此，在最大功率點處有dP因此最大功率點跟蹤實質上就是尋找曲線中滿足dPdU的點，由?P?該方法是從光電池功率隨電壓的變化而變化的規律出發，得出了系統工作點位于最大功率點時的電導和電導變化率之間的關系。如圖3.5所示，是光電池的P?U曲線及dPdU變化特征，圖中可以清楚地看到，在其工作的過程中僅存在一個最大功率點，且在該點為整個曲線的峰值，其兩邊dPdU符號相反，并而在該點處dPdU=0REF_Ref10802\r\h[12]。圖3.5光伏電池P-U特性的dPdU其瞬時輸出功率為P=UI(3-22)將式子兩邊對輸出電壓U求導，則dP當dPdU=0時dI由以上的推導方法可以通過分析計算得出，使用電導增量法對最大功率點跟蹤時所需要的判斷表達式為：dIdIdI圖3.6為電導增量法流程圖，其中?U為每次系統調整工作點時的電壓改變量，Uref為下一點的電壓值。通過計算出?U之后，如果圖3.6電導增量法流程圖上述方法的優點是穩定性較高，當外部環境發生改變時，系統響應速度也比較快，依舊能夠準確穩定地追蹤其變化，與光電池的特性及參數無關。缺點就在于其造價高，步長固定，追蹤時間難以控制。3.2.3PWM發生器光伏發電系統中的逆變器一般采用脈寬調制，通過該調制，矩形波交流電就可以轉換成為正弦波交流電，從而并入電力系統。其原理是通過對電路中的“開關器件”進行控制，讓輸出端得到很多個相等的脈沖，可以把這些脈沖等效看成正弦波。按照一定的規則調節這些脈沖的寬度。這樣既可以改變電路的輸出電壓，又能改變其輸出頻率。把正弦波的半個周期分成無數個小份，每一個小份可以看成一個脈沖，其中每一小份的寬度是相同的，但是由于正弦波按照著正弦規律變化，所以分割后的每一小份的幅值也不同。這時用相同數量幅值相同寬度不同的矩形脈沖去代替它，并且使這些脈沖的面積和中心與對應的正弦波所圍成的面積和中心相同，這些矩形脈沖的寬度也是按照正弦規律變化，這樣就形成了PWM波形[15REF_Ref9970\r\h]。圖3.7PWM逆變器的原理

光伏發電系統仿真驗證4.1光伏電站仿真模型說明如圖4.1所示，該模型為光伏電站仿真模型，該模型首先是給定實時的光照強度和溫度，連接光伏組件，其中光伏陣列由88個平行字符串組成，每個字符串有7個SunPowerSPR-415E模塊系列連接。設置完輸入光照強度和溫度后，點擊運行，光伏組件就會開始產生直流電，經過一個三相逆變電路，這樣就把前面的直流電變成了交流電，之后經過逆變器扼流圈RL和小型諧波濾芯C兩次濾波，再經過一個三相變壓器連接到電網，連接接地負載來模擬用戶。圖4.1光伏電站仿真模型4.2光照強度和溫度對光伏電池輸出結果的影響（1）設置溫度為25℃，光照強度分別為1000W/㎡和500W/㎡，仿真得到的光伏電池的輸出特性如圖4.2、4.3所示圖4.2溫度相同光照不同時的I-U曲線圖圖4.3溫度相同光照不同時的P-U曲線圖由圖4.2可以清楚地看到，當溫度保持不變時，改變光照強度會影響到該電池的輸出結果。當降低光照時，其短路電流和輸出功率也回相應地下降，而開路電壓基本不變。由此可得出，當光伏發電系統發電的過程中，如果電池組件被東西遮擋，或者外界光照強度降低，會影響該組件的輸出能力，這時它的短路電流和輸出功率會下降。（2）光照強度為1000W/㎡，溫度分別為25℃和45℃時，仿真得到的光伏電池的輸出特性如圖4.4、4.5所示圖4.4光照相同溫度不同時的U-I曲線圖圖4.5光照相同溫度不同時的U-P曲線圖由圖可以看出，當光照強度不變時，溫度的大小也會影響光伏電池的輸出結果。4.3光伏電站模型實時仿真 模擬大型光伏電站，給定實時的光照強度，查看發電情況給定光照強度為1000W/㎡，溫度為45℃圖4.6光照強度設置經過逆變電路產生的交流電為圖4.7圖4.8（2）模擬實時光照強度，當第0秒時，設置光照強度為1000W/㎡，第0.5秒時變為200W/㎡，第1秒又回到1000W/㎡圖4.9經過逆變電路產生的交流電為圖4.10圖4.114.4本章小結（1）首先驗證了光照強度和溫度對光伏電池輸出結果的影響，結論可以得出：當溫度保持不變，光照強度減弱時，其短路電流和輸出功率也會相應地下降，而開路電壓基本上保持恒定；當光照保持恒定不變時，提高了溫度，其短路電流也會保持恒定，其開路電壓和輸出功率則會隨之下降。（2）其次驗證了不同光照條件下發電系統的發電情況，設置輸入光照強度為1000W/㎡，溫度為45℃，點擊運行，系統達到穩態的時間約為0.15秒，從光伏陣列中提取到的電壓約為481V，這些值基本與預期值相符合。在t=0.5秒時，改變光照強度，使之迅速下降到了200W/㎡，由于MPPT的作用，控制系統將直流參考電壓下降到460V左右，以便從光伏陣列(46KW)中提取最大功率。總結太陽能作為一種綠色清潔能源，由于其多種優點，近些年來世界各國開始了對其的開發使用。由于現在的能源問題十分嚴重，環境污染也越來越嚴重，再加上全球氣候變暖，世界各國都在尋求和發展新型綠色能源，太陽能憑借其儲存量大和無污染等多種優點，成為了當今世界最具發展潛力的新能源之一。本文主要通過了解某光伏電站，深究其光伏發電的原理和特點，做了以下內容的研究和分析：本文主要分析和了解了光伏發電系統的原理和結構，并且分析和了解了各個組成部分最后完成光伏發電系統的仿真建模以及對其仿真建模做了驗證。其中重點分析了其光伏電池和發電系統的控制技術。其中光伏發電技術中的最大功率點跟蹤原理是重中之重，對最大功率點跟蹤方法中的電導增量法做了詳細的分析，通過matlab對其進行了仿真建模。并且對仿真環境下的整個光伏電站的模型進行了分析。最后在matlab仿真環境下光伏電池組件模型做了仿真分析，并對其在不同光照強度和溫度下的輸出特性做了詳細的分析，還進一步仿真驗證了不同光照條件下發電系統的發電情況，模擬了光伏電站實時仿真。通過對以上內容的學習和研究，對光伏發電技術有了全面深入的了解。參考文獻汪耕,李希明,等.大型汽輪發電機設計、制造與運行[M]．上海科學技術出版社,2012．劉瑞麗,魏燕飛.汽輪發電機定子線圈端部設計的精確計算[J].上海大中型電機,2011（4）:23-26．全球可再生能源新增裝機168GW,中國占半成!國際可再生能源署發布《可再生能源統計年鑒2018》[J].國際能源網,2018-07-16.楊貴恒,強生澤,張穎超,鄭勇編.太陽能光伏發電系統及其應用[M].化學工業出版社，2011.3.崔曉丹,李威,李兆偉,方勇杰,薛禹勝,薛峰.適用于機電暫態仿真的大型光伏電站在線動態等值方法[J].電力系統自動化,2015,39（12）：21-26.田云飛,張海生,徐昊亮,余泳,陳兆雁,靳攀潤,王仕俊.某10MW光伏電站建模及仿真分析[J].電工技術,2016(09):119-121.葛虎.大型光伏電站仿真建模[D].合肥工業大學,2015.黃成.光伏微網與光伏電站的建模與仿真方法研究[D].湖南大學，2018.王紀軍.大型光伏電站仿真與研究[D].北方工業大學,2020.OmarNoureddineId,LahcenBoukhattem,HassaniFahdOudrhiri,AminBennouna,azizOukennou.Powerforecastingofthreesilicon-basedPVtechnologiesusingactu