复杂环境下光伏电源输出功率建模与仿真

孔德成

（重庆市长寿区农业农村委员会，重庆 40 1220）

1 引言

为提高光伏发电并网的安全性和经济性，光伏电源因自身缺陷其输出有功功率存在波动且因环境的不同而变化[1]，此固有缺陷直接给不同地区光伏电源并网后的国家电网带来冲击，文献[2]提出一种光伏电源建模方法，有效分析了光伏电源输出特性；文献[3]提出一种双级式光伏发电模型，提高了光伏利用率。

基于上述研究背景，本文从光伏单体发电原理出发，针对复杂环境下光伏电源输出功率不稳定的问题，推导出光伏电源输出电流和外部环境光照强度和温度的数学关系，建立复杂环境下光伏电源数学模型并经计算机仿真，研究分析光伏电源输出功率的非线性特征，为光伏电源并网分析计算提供参考。

2 建模与仿真

根据光伏单体发电原理，从光电数学方程出发，研究光伏电源输出功率的特性[2]。即，

式(1)和式(2)中：I为光伏电源输出电流；V为光伏电源输出电压；RS是光伏电池串联等效电阻；RP是光伏电池并联等效电阻；IPH为光生电流；IOS是光伏电源无光照时饱和电流；S为光照强度；ISC是光伏电源短路电流；T是环境温度；K为玻尔兹曼常数；KI为短路电流温度系数；q为电荷数。

通常光伏电池并联等效电阻RP很大，故（V+IRS）/RP项远远小于IPH，此项可省略，由式(1)可得光伏电源的工程数学模型：

以式(3)依据，基于光伏电池的工程数学模型，建立Matlab-Simulink计算机仿真模型并进行分析，研究光伏电源输出功率与外部环境光照强度和温度的数学关系，建模时参照型号JT255PLe的光伏电源模块参数，设定仿真模型短路电流8.98A，开路电压37.7V，以Math Works公司的Matlab2019rb为平台建立光伏电源的计算机仿真模型，并进行仿真分析。仿真结果如图1所示，图1(a)表明，光伏电源输出功率在相同温度27℃下，随着光照强度的增强而增大；图1(b)表明其输出功率在相同光照强度1200W/m2下，随着环境温度的增强而增大。此外，由图1(a)和图1(b)可知，无论环境温度和光照强度如何变化，光伏电源输出功率存在唯一最大功率输出点。

图1 不同环境下光伏电源的P-V特性

由仿真结果可知，在最大功率输出点电压前，随着光伏电源输出电压逐渐增大，其输出功率逐渐递增，在达到最大功率输出点电压后，光伏电源输出功率将随输出电压逐渐增大而递减，并且递减的变化率较最大功率输出点电压前大。

3 结论

本文从光电数学方程出发，针对复杂环境下光伏电源输出功率不稳定问题，推导出光伏电源输出电流和外部环境光照强度和温度的数学关系，建立光伏电源数学模型并经计算机仿真。Matlab-Simulink仿真结果表明：1）光伏电源输出功率在相同温度（光照）下，随着光照强度（温度）的增强而增大。2）无论环境温度和光照度如何变化，光伏电源输出功率存在唯一最大功率输出点，可为光伏发电控制后续研究提供思路。3）光伏电源输出功率随其输出电压增大而递增，在达到最大功率输出点电压后，光伏电源输出功率将随输出电压的增大而递减，并且递减的变化率瞬间增大。