【仿真赛】基于ANSYS建模仿真的单相光伏并网发电系统

面对日益匮乏的能源环境，太阳能作为一种清洁、再生能源，它的应用价值日益彰显。单相光伏并网发电系统具有许多的优点，如果能提高技术和工艺，提高转换效率，使其成为家庭普及的太阳能利用方式，意义重大。 本文对单相光伏发电系统的效率问题展开了研究，单相光伏并网发电系统的效率取决于系统组成的各个环节。为了提高光伏发电系统的光电转换效率，将目前常用的光伏阵列MPPT技术的优缺点进行了比较研究，引入了模糊逻辑控制理论，根据光伏电池特有的输出特性，对传统对称结构的隶属度函数进行了改进，采用了非对称性结构，确立了改进型的基于扰动法的模糊MPPT控制。同时对目前广泛采用的两级式并网逆变器进行研究，通过分析常用逆变器前级DC/DC环节电路的工作原理，计算不同电路拓扑的损耗并进行仿真验证，确定前级选取Boost电路。并对逆变器后级DC/ AC环节逆变电路的工作原理和电路拓扑结构的优缺点进行了比较，确定了后级选取全桥逆变电路。
将改进后的基于扰动法的模糊MPPT控制应用于光伏并网逆变器前级DC/DC环节。通过对改进前后基于扰动法的模糊MPPT控制的光伏并网逆变器Matlab仿真结果的分析比较，验证了改进型的模糊MPPT控制在外在环境条件变化时的有效性。
首先了解下光伏发电的基本常识，然后看看那MATLAB的仿真情况，最后在用ANSYS进行仿真：
光伏发电并网系统的一般组成

给出了光伏并网发电系统的结构，系统一般由光伏阵列、变流器、控制器和负载电网组成。大小不同的光伏阵列由许多的太阳能电池模块组成，太阳能电池将光能转换为电能，但输出的电能不能直接并入电网，必须借助电力电子设备转换，满足工频电网的要求，才能并网供广大用户使用。控制器控制电力电子设备转换和一些其它的设备，它的主要功能有MPPT控制,并网波形控制和孤岛效应预防。
按照光伏并网发电系统是否包含储能环节，系统又可分为不可调度式和可调度式两种。储能环节可以为光伏阵列提供能量补充，减少光伏阵列因光照强度变化对系统运行的影响，提高系统工作的可靠性，必要时可以作为不间断电源，对重要负荷提供稳定电能。
太阳能电池工作原理图

光伏电池相当于带负载电阻的PN结，其空间电荷区在没有外部电压施加的情况下，光伏电池内部的带电粒子仍然能形成电场。当受到太阳光照射，这些粒子形成电子空穴对，在电场力的作用下发生定向移动，形成电流[sub][/sub]。因为PN结电流偏置方向与电流[sub][/sub]方向相同。光伏电池带负载电阻经[sub][/sub]流过势必在负载两端存在压降，而压降又导致PN结上有一个正向电流，[sub][/sub]电流与电流方向相反，人为规定两者之差大者为正值，因此总电流为，方向与[sub][/sub]方向相同。由于入射光子的作用，使带电粒子在电场力作用下移动形成电流[sup][18][/sup]，在太阳能电池中就完成了将太阳能转换为电能的过程
由光伏电池的输出特性，工程上模拟其工作原理建立等效电路模型：

光照时光伏电池等效电路图

在上图中, [sub][/sub]为光生电流，表示太阳能电池经由太阳光照射后所产生的电流，电池的面积、入射光的辐射强度和环境温度对 的输出会产生影响，基本是成正比的关系。一般来说， 1cm[sup]2[/sup]的晶硅太阳能电池的[sub][/sub]的值约为20mA大小。 为暗电流，即表示没有太阳光照射的情况下，PN结内带电粒子受内部电场力产生的电流，因而可用一个普通二极管来表示光伏电池的特性。电池内部等效并联和串联电阻可用 和 分别表示。太阳能电池的体电阻，接触电阻，金属导体电阻等构成了其串联电阻 ，通常小于1Q。由于太阳能电池暴露在外部环境中，很容易粘上灰尘，并且大多晶硅电池采用的晶体材料都达不到百分之百的纯净，造成了PN结泄漏现象，这些因素使得电池形成了电阻 ，其电阻值非常大，达数千欧姆。太阳能电池总的电阻由 和 构成，当与外电路负载连接时，构成了内部电阻。人们工程计算光伏电池的总电阻时，由于 和 自身在整个光伏电池组成电路的特点，可用一个二极管替代。光伏电池形成的是直流电流，一般情况下不含有交流分量，因此，对于PN结形成的结电容和其他分布电容的影响不予考虑。电池的外部负载电阻 用表示，电池的外部负载电流用 表示。电池的开路电压用 表示，即当电池在100mW/cm2强度的太阳光照射下，电池两端开路时所测得的输出电压。

根据太阳能光伏电池的等效电路模型，我们可以建立下式所表示电池的输出电流与输出电压的数学关系：

由上式可以得到太阳能光伏电池的电流与电压间的关系曲线，简称伏安特性曲线。下图中，曲线1是太阳能电池没有受到太阳光辐射的特性曲线，曲线2是太阳能电池接受光照后的特性曲线。对于某个恒定的太阳辐射强度值，沿着横轴方向，曲线向下移动，便可得到太阳电池的输出伏安特性曲线的轨迹。也就是说，晶硅太阳能电池的短路电流和光生电流均与太阳辐射强度成正比，因此可用测量标准太阳能电池短路电流的简便方法，来确定某一个晶硅太阳能电池工作时的随太阳光照条件变化时的特性曲线。

光伏电池电流-电压曲线

理想条件下太阳能电池的等效电路图可表示为：