光伏发电系统模型综述

光伏发电系统模型综述

摘要：为了对含光伏电源的电力系统进行各种仿真研究，必须建立准确的光伏发电系统数学模型。全面综述了包括光伏组件、逆变器及其控制系统的光伏系统数学模型，对整个光伏发电系统模型的研究现状进行了论述，总结了利用各元件模型建立系统模型的方法以及孤岛保护的研究现状及其建模方法，并对光伏发电系统模型的研究前景进行了展望。

关键词：光伏阵列；逆变器控制；最大功率点追踪；光伏发电系统；孤岛保护；光伏系统模型

0引言

准确的元件模型是进行电力系统仿真分析的基础。随着光伏电源接入系统比例的不断增加，光伏发电对电力系统的影响日益显现。因此，研究光伏发电对电力系统的影响日益迫切，建立能够准确反映并网光伏电源动态响应的模型是开展相关研究的基础。

并网光伏发电系统主要由光伏阵列、逆变器及其他并网环节组成，见图1。光伏阵列由光伏电池串并联组成，产生的电能通过逆变器和相应的滤波器输送到电网，在此过程中需要对逆变器和电能变换环节进行最大功率点追踪控制(maximum powerpoint tracking，MPPT)和逆变控制。MPPT控制的作用是保证光伏阵列始终工作在输出功率最大的状态，而逆变控制的目的是保证逆变器输出与电网电压同相的电流并尽量减小谐波输出。并网光伏发电系统出现孤岛状态时，即出现脱离了电网但仍可以向周围负载供电的状态，电网需令孤岛中的光伏发电系统退出运行，这就需要能够准确检测孤岛状态的保护系统。

本文分别对光伏阵列、MPPT控制、孤岛保护、逆变器控制以及整个光伏发电系统的模型进行分析，并对光伏发电系统模型研究进行展望。

1光伏阵列的建模

1.1光伏电池U-I特性模型

光伏电池的发电原理是光生伏打效应，一个光伏电池具有类似于二极管PN 结的结构。当光照射在电池上，PN结两端就会有电压产生，单独的光伏电池功率很小，所以光伏发电系统要将大量的光伏电池串并联，以构成光伏阵列。

因此，在得到光伏电池的模型后，进行串并联等效可得到光伏阵列的模型。光伏电池模型主要分为光伏电池基本U-I特性模型、简化工程用模型及考虑雪崩效应的模型等。基于光伏电池特性的等效电路如图2所示。

相应的U-I特性为

式中：二极管用来表示PN 结特性；R s和R sh分别为等效串联阻抗和并联阻抗；T 为电池温度；q 为电子电量；A 为无量纲的任意曲线的拟合常数，1≤A≤2，当光伏电池输出高电压时A=1，当光伏电池输出低电压时A=2；k 为波尔兹曼常数；I ph和I d分别为光生电流和流过二极管的反向饱和漏电流，I ph和I d 是随环境变化的量，需根据具体的光照强度和温度确定[2,8]，其计算式分别为