復(fù)雜環(huán)境下光伏電源輸出功率建模與仿真

孔德成

（重慶市長壽區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村委員會，重慶 40 1220）

1 引言

為提高光伏發(fā)電并網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟性，光伏電源因自身缺陷其輸出有功功率存在波動且因環(huán)境的不同而變化[1]，此固有缺陷直接給不同地區(qū)光伏電源并網(wǎng)后的國家電網(wǎng)帶來沖擊，文獻(xiàn)[2]提出一種光伏電源建模方法，有效分析了光伏電源輸出特性；文獻(xiàn)[3]提出一種雙級式光伏發(fā)電模型，提高了光伏利用率。

基于上述研究背景，本文從光伏單體發(fā)電原理出發(fā)，針對復(fù)雜環(huán)境下光伏電源輸出功率不穩(wěn)定的問題，推導(dǎo)出光伏電源輸出電流和外部環(huán)境光照強度和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立復(fù)雜環(huán)境下光伏電源數(shù)學(xué)模型并經(jīng)計算機仿真，研究分析光伏電源輸出功率的非線性特征，為光伏電源并網(wǎng)分析計算提供參考。

2 建模與仿真

根據(jù)光伏單體發(fā)電原理，從光電數(shù)學(xué)方程出發(fā)，研究光伏電源輸出功率的特性[2]。即，

式(1)和式(2)中：I為光伏電源輸出電流；V為光伏電源輸出電壓；RS是光伏電池串聯(lián)等效電阻；RP是光伏電池并聯(lián)等效電阻；IPH為光生電流；IOS是光伏電源無光照時飽和電流；S為光照強度；ISC是光伏電源短路電流；T是環(huán)境溫度；K為玻爾茲曼常數(shù)；KI為短路電流溫度系數(shù)；q為電荷數(shù)。

通常光伏電池并聯(lián)等效電阻RP很大，故（V+IRS）/RP項遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于IPH，此項可省略，由式(1)可得光伏電源的工程數(shù)學(xué)模型：

以式(3)依據(jù)，基于光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型，建立Matlab-Simulink計算機仿真模型并進(jìn)行分析，研究光伏電源輸出功率與外部環(huán)境光照強度和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，建模時參照型號JT255PLe的光伏電源模塊參數(shù)，設(shè)定仿真模型短路電流8.98A，開路電壓37.7V，以Math Works公司的Matlab2019rb為平臺建立光伏電源的計算機仿真模型，并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖1所示，圖1(a)表明，光伏電源輸出功率在相同溫度27℃下，隨著光照強度的增強而增大；圖1(b)表明其輸出功率在相同光照強度1200W/m2下，隨著環(huán)境溫度的增強而增大。此外，由圖1(a)和圖1(b)可知，無論環(huán)境溫度和光照強度如何變化，光伏電源輸出功率存在唯一最大功率輸出點。

圖1 不同環(huán)境下光伏電源的P-V特性

由仿真結(jié)果可知，在最大功率輸出點電壓前，隨著光伏電源輸出電壓逐漸增大，其輸出功率逐漸遞增，在達(dá)到最大功率輸出點電壓后，光伏電源輸出功率將隨輸出電壓逐漸增大而遞減，并且遞減的變化率較最大功率輸出點電壓前大。

3 結(jié)論

本文從光電數(shù)學(xué)方程出發(fā)，針對復(fù)雜環(huán)境下光伏電源輸出功率不穩(wěn)定問題，推導(dǎo)出光伏電源輸出電流和外部環(huán)境光照強度和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立光伏電源數(shù)學(xué)模型并經(jīng)計算機仿真。Matlab-Simulink仿真結(jié)果表明：1）光伏電源輸出功率在相同溫度（光照）下，隨著光照強度（溫度）的增強而增大。2）無論環(huán)境溫度和光照度如何變化，光伏電源輸出功率存在唯一最大功率輸出點，可為光伏發(fā)電控制后續(xù)研究提供思路。3）光伏電源輸出功率隨其輸出電壓增大而遞增，在達(dá)到最大功率輸出點電壓后，光伏電源輸出功率將隨輸出電壓的增大而遞減，并且遞減的變化率瞬間增大。