分布式光伏发电建模

第1章绪论随着负荷的快速增长以及电力市场的逐步推行，传统的集中式发电已经不能满足当今社会对能源及电力供应的需求。近年来，集中式发电收到其自身缺陷的限制，对电力供应的稳定的安全带来了影响。为了解决这类问题，一种高效、灵活、可靠、经济的发电方式应运而生，即分布式发电技术。分布式发电技术通常指发电功率在数千瓦至数兆瓦的小型模块化且分散布置在用户附近的高校、可靠、清洁、可持续发展的发电技术。分布式电源主要包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏发电和风力发电等新能源。分布式电源的开发、研究和建设，有如下意义：1.城市的大规模发展，使得新的配电线路开辟越来越困难，而直接在用户近旁安装分布式电源是一种很有效的替代方案。2.对于偏远地区，可以依靠当地丰富的自然资源，选择合理的分布式发电方式能够很有效的节约筹建投资达的电网。3.随着电力市场的逐步推行，用户对供电可靠性、电能质量以及电价的关注日益增加，而采用分布式发电则有利于降低用户电价，提高电能质量和供电可靠性，同时满足用户多方面的要求，为用户提供更多的用电选择。4.分布式电源成为了一种以电网最大经济为目的的调频、调峰的手段。由于分布式电源的引入，电源的节点类型出现了PQ、PI、PV、PQ（V）节点。含分布式电源的配电网潮流计算的作用是计算线路中的功率和电压，有时也会用来评估其并网后对配电系统产生的影响，并且是分析分布式电源对电网静态稳定性影响等其他研究工作的基础，因此研究含分布式电源的配电网潮流计算有一定的理论意义和实用价值。第2章光伏电池特性及其仿真模型的建立2.1光伏电池等效电路根据电子学理论，太阳电池的等效电路如图所示图2-1光伏电池等效电路图太阳能光伏电池的发电状态的电流方程为：I=𝐼𝑝ℎ−𝐼𝑑−𝐼𝑠ℎ由电子学理论可知，太阳能光伏电池的数学模型可等效为：I=𝐼𝑝ℎ−𝐼0{𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑠𝐼)𝐴𝐾𝑇−1}−𝑉+𝑅𝑠𝐼𝑅𝑠ℎ其中，参数意义如下：符号意义符号意义I光伏电池输出电流𝑅𝑠ℎ光伏电池的并联电阻𝑉光伏电池输出电压𝑅𝑠光伏电池的串联电阻𝐼𝑝ℎ光生电流𝐴二极管特性因子𝐼0二极管饱和电流𝐾玻尔兹曼常数𝐼𝑠ℎ流过二极管的电流𝑇光伏电池温度𝑞电子的电荷量表2-1光伏电池数学模型参数意义表2.2光伏电池仿真模型的建立2.2.1工程用光伏电池的数学模型上式是基于物理原理的太阳能电池最基本的解析表达式，已被广泛应用于太阳电池的理论分析中，但表达式中的5个参数，包括𝐼𝑝ℎ、𝐼0、𝑅𝑠、𝑅𝑠ℎ、𝐴，它们不仅与电池温度和日射强度有关，而且确定十分困难，因此不便于工程应用，也不是太阳电池供应商向用户提供的技术参数。工程用模型强调的是实用性与精确性的结合，通常要求仅采用供应商提供的几个重要技术参数，如𝐼𝑠𝑐、𝑉𝑜𝑐、𝐼𝑚、𝑉𝑚，就能在一定的精度下复现列阵的特性，并能便于计算机分析。在近似简化前，需要考虑一下𝑅𝑠和𝑅𝑠ℎ：在光伏电池中，并联电阻𝑅𝑠ℎ阻值很大，而串联电阻𝑅𝑠阻值则非常小。由于𝑅𝑠和𝑅𝑠ℎ是分别并联、串联在电路中的，因此在进行计算时则可以进行以下近似：1.由于𝑅𝑠ℎ很大，使得𝑉+𝑅𝑠𝐼𝑅𝑠ℎ远小于光伏电池的电流，通常将该项忽略，则I=𝐼𝑝ℎ−𝐼0{𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑠𝐼)𝐴𝐾𝑇−1}2.考虑到𝑅𝑠通常远小于二极管正向导通电阻，因此设定𝐼𝑝ℎ=𝐼𝑠𝑐，则I=𝐼𝑠𝑐−𝐼0{𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑠𝐼)𝐴𝐾𝑇−1}此外，还需要考虑光伏电池处于最大功率点和开路状态情况条件下，电压和电流的关系：1.处于最大功率点时，V=𝑉𝑚，I=𝐼𝑚，则𝐼𝑚=𝐼𝑠𝑐−𝐼0{𝑒𝑞(𝑉+𝑅𝑠𝐼)𝐴𝐾𝑇−1}2.开路状态下，V=𝑉𝑜𝑐，I=0，则0=𝐼𝑠𝑐−𝐼0{𝑒𝑞(𝑉𝑜𝑐+𝑅𝑠𝐼)𝐴𝐾𝑇−1}综合以上对光伏电池数学模型的分析，可将式简化为I=𝐼𝑠𝑐{1−𝐶1[𝑒𝑉𝐶2𝑉𝑜𝑐]−1}常温条件下𝑒𝑉𝐶2𝑉𝑜𝑐≫1，可忽略其中的“-1”项，解出𝐶1，𝐶1=(1−𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐)𝑒𝑉𝐶2𝑉𝑜𝑐再由开路条件下，有式，并把上式带入，可得𝐶2，𝐶2=(𝑉𝑚𝑉𝑚−1)ln(1−𝐼𝑚𝐼𝑠𝑐)⁄本模型只需要输入太阳电池通常的技术参数𝐼𝑠𝑐、𝑉𝑜𝑐、𝐼𝑚、𝑉𝑚，就可以根据式得出𝐶1、𝐶2，最后得出太阳电池的I−V特性曲线。太阳电池I−V特性曲线与光照强度和电池温度有关。通常地面上光照强度S的变化范围为0-1000𝑊𝑚2⁄，太阳电池的温度变化较大，可能为10-70℃。按标准，取𝑆𝑟𝑒𝑓=1000𝑊𝑚2⁄，𝑇𝑟𝑒𝑓=25℃为参考光强和参考电池温度。通过对参考光强和参考电池温度下I−V特性曲线上任一点（V，I）的移动，得到新光强和新电池温度下的I−V特性曲线上任一点（V’，I’）为：dT=T−𝑇𝑟𝑒𝑓dI=a𝑆𝑆𝑟𝑒𝑓𝑑𝑇+(𝑆𝑆𝑟𝑒𝑓−1)𝐼𝑠𝑐dV=−bdT−𝑅𝑠𝑑𝐼I′=I+dIV=V−dV式中：a:参考日照强度下的电流温度系数b:参考日照强度下的电压温度系数2.2.2光伏电池的simulink模型下图是根据上文中的数学模型建立的光伏电池simulink模型。图2-2simulink光伏电池模型对上图光伏电池模型进行封装如下图。封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。关联好的参数设置输入窗口如图。图2-3simulink光伏电池封装子系统图2-4simulink光伏电池参数设置对话框至此光伏电池内部建模结束，本文采用的光伏板数据如表所示最大功率Pm59.9W最大功率点处电流Im3.5A最大功率点处电压Um17.1V短路电流Ics3.74A开路电压Uoc21.0V参考日照强度下的电流温度系数0.0065参考日照强度下的电压温度系数0.08串联电阻0.5表2-2仿真用光伏板参数图2-5光伏电池输出特性仿真图图2-6光伏电池I-V、P-V输出特性图（左为I-V图，右为P-V图）通过对仿真曲线与光伏电池实测曲线对比证明了仿真曲线可以较为准确的反映光伏电池的物理特性。