并网光伏发电系统设计与仿真

并网光伏发电系统设计分析与仿真

1、绪论

在能源形势日益严峻和环境污染问题日益严重的今天，开发利用绿色可再生能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施，分布式发电成为世界各国争相发展的热点，其中太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。随着太阳能电池研究进程的加快和转换效率的不断提升，光伏发电成本呈现出快速下降趋势，社会普遍认同光伏发电作为可再生能源的作用与应用前景，开展光伏发电（Photovoltaic（PV））的应用推广也更具有现实意义。同时光伏发电正在由边远农牧区和特殊场合应用向并网发电规模化方向发展，由补充能源向替代能源方向过渡。光伏并网发电已经成为太阳能光伏利用的主要方式之一。开展并网光伏发电的研究，对于缓解能源和环境问题，研究高性能光伏发电系统，合理正确利用太阳能光伏发电，不仅具有理论意义同样也具有重大的现实意义。

光伏发电作为分布式发电的一种，其工作特点是利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电转换成符合电网要求的交流电并入公共电网，光伏系统产生的电能除供给交流负载外，将剩余电能反馈给电网。可任意组合光伏系统的容量，分散使用最佳，可作为大电厂、大电网集中式供能的重要补充，也是新一代能源体系的重要组成部分。

2、光伏系统介绍及阵列输出特性分析

光伏发电系统通常由光伏阵列、能量优化控制器、储能组件及逆变器等部分组成。光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。独立光伏发电系统是指供用户单独使用的光伏发电系统，如在边远地区使用的家用光伏电源等。并网光伏发电系统是指与电网系统相连的光伏发电系统。

2.1独立光伏发电系统

不与电网相连的光伏发电系统称为独立光伏发电系统，如图2-1所示。由于独立光伏发电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常工作，系统中必定存在一个储能环节来储存和调节整个系统的能量。

图2-1 独立光伏发电系统

2.2并网光伏发电系统

并网光伏发电系统如图2-2所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义；此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能。当主电网断电时，系统自动停止向电网供电；当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。

太阳能电池板

DC/DC

电网

控制器

逆变器

交流负载

图2-2 并网光伏发电系统

2.3光伏阵列建模

三相两级式光伏并网发电系统的结构图如图2-3所示，光伏阵列的直流电压经过DC/DC 升压，DC/AC 逆变器，RL 滤波器与电网相连。

dc

u dc

i dc

C pv

i a

i b

i c i a V b V c

V a

U b

U c

U R L

图2-3光伏系统模型

实际使用的光伏电池等效电路的形式如图2-4所示。

Iph

Rs

Rsh

Ish

VD

Voc IL

RL VL

ID

图2-4 光伏电池等效的电路

为光生电流，其值与光伏电池的面积及太阳光照强度成正比；为二

极管的暗电流，反映了光伏电池P-N结的扩散电流大小；为旁路电阻，反映电阻损耗，为串联电阻，反映漏电流损耗。因此理想光伏电池的等效电路只相当于一个电流为，的电流源和一个二极管并联。

当光伏电池接入一定负载后，负载便有电流通过，其值为光伏电池输出的负载电流，当负载被短路时，光伏电池输出的短路电流为，为在1000 光源的照射下，光伏电池输出端开路时所测得的输出电压值。为了寻找光伏电池输出电流的物理表达式，列出以下方程。

(2-1)

(2-2)

(2-3) 其中为等效二极管的端电压

(2-4) 代表光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流；

q为电子电荷，；

K 为波尔兹曼常量，；

A是常数因子(正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2)；

T为绝对温度。

将式(2-3)、(2-4)代入(2-1)中，得出光伏电池输出电流的表达式：

(2-5)

单个光伏电池输出功率只有1W-2W，输出电压只有0.5V左右，无法满足并网发电的需求，通过光伏电池到光伏模板到光伏阵列的组合方式，可以保证较大的直流电流和电压输出，达到并网的条件要求。因此，光伏阵列的I-V特性等同于光伏电池的I-V特性。建立光伏阵列的数学模型，采用SUNFECH公司的STP2505-20/Wd型号光伏电池为例，其中包括：、Voc、等参数，就能在一定精度下等效仿真光伏阵列的I-V特性，满足计算机分析的需求。表2-1列出了该种光伏模块的输出特性参数表。

表2-1 SUNFECH公司的STP2505-20/Wd光伏电池参数

250W 29.5V

7.8A Voc 37.4V

8.4A 效率15.4%

工作温度-最大系统电压1000V DC

2.4光伏电池的等效模型

在上述中推导出来的光伏电池输出电流表达式(2-5)，是基于物理原理的最基本的解析表达式，但由于光伏电池供应商不向用户提供表达式中的若干参数如、、等，且其参数与环境的关联度较大，难以在工程实践中得到广泛应用，因此不适用于光伏发电系统的工程设计和应用，需要在式(2-5)的基础上做以下近似：

（1）忽略项，因为通常较大，为几千欧姆，所以该项远小于光电流，可以省略不记。

（2）假设=，这是由于在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻，并定义在：

1)光伏电池开路状态时，，；

2)最大功率点处，，。

设定两个中间参数A，B，通过以上两个条件建立硅太阳电池的工程用数学模型，光伏电池的I-V方程可简化为

(2-6) 在最大功率点时，，，可得

(2-7) 由于在常温条件下可忽略式中的“-1”项，解出A

(2-8) 注意到开路状态下，当时，，并将(2-8)带入(2-6)并忽略“-1”项得：

(2-9)