基于MATLAB的光伏电池通用数学模型.doc

本文由qpadm贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第 25 卷第 4 期 2009 年 4 月 电 力 科 学 与 工 程 Vol.25, No.4 Apr., 2009 11 Electric Power Science and Engineering 基于 MATLAB 的光伏电池通用数学模型 王长江 （华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206） 摘要：针对光伏电池输出特性具有强烈的非线性，根据太阳能电池的直流物理模型，利用 MATLAB 建立 了太阳能光伏阵列通用的仿真模型。利用此模型，模拟任意环境、太阳辐射强度、电池板参数、电池板串 并联方式下的光伏阵列 I-V 特性。模型内部参数经过优化，较好地反应了电池实际特性。模型带有最大功 率点跟踪功能，能很好地实现光伏发电系统最佳工作点的跟踪。 关键词：光伏电池；MPPT；I-V 特性 中图分类号：TM615 文献标识码：A 0 引 言 1 光伏电池特性 随着化石能源的消耗，全球都在面临能源危 机， 太阳能依靠其清洁、 分布广泛等特点成为当今 发展速度居第二位的能源 1 。 光伏阵列由多个单体太阳能电池进行串并联封 装而成，是光伏发电的能源供给中心，其 I V 特 性曲线随日照强度和太阳能电池温度变化，即 I=f ( V, S, T ) 。目前而厂家通常仅为用户提供标准测 试的短路电流 I sc 、开路电压 Voc、最大功率点电流 I m 、最大功率点电压 V m 值，所以如何根据已有的 标准测试数据来仿真光伏阵列在不同日照、 温度下 的 I V，P V 特性曲线，在光伏发电系统分析研 究中显得至关重要 2 。 文献 34 介绍了一些光伏发电相关的仿真 模型， 但这些模型都需要已知一些特定参数， 使得 分析研究有一些困难。文献 5 介绍了经优化的 光伏电池模型，但不能任意改变原始参数。文献 6 给出了光伏电池的原理模型，但参数选用典型 值，会造成较大的误差。 本文考虑工程应用因素， 基于太阳能电池的物 理模型， 建立了适用于任何条件下的工程用光伏电 池仿真模型。 1.1 光伏电池理论模型 太阳能电池等效电路如图 1 所示 7 。 ph s o sh 图1 太阳能电池等效电路 = ph o exp + s 1 + sh s (1) 式中 Iph 为光伏阵列电流；Io 为反向饱和电流；q 为 电子电荷 (1.61 019 C） 为二极管因子；K 为玻 ；n 23 耳兹曼常数 (1.3810 J/K)； Rs 为串联电阻；Rsh 为并联电阻。 日照 强 度 为 1 kW/m 2 ，0.75 kW/m 2 ，0.5 kW/m2 ，温度为 25 时， 特性曲线如图 2 所 示，由图中可以看出，光伏电池的 特性为非 线性的， 曲线左侧类似于电流源曲线， 右侧类似于 电压源曲线。 以上是光伏电池的理论模型，已经广泛应用于 收稿日期：2009 02 01. 作者简介：王长江 (1983 ), 男, 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生. 12 电 力 科 学 与 工 程 2009 年 =1 kW/m2 pv m_new = m 1 1+ ( 10 ) =0.75 kW/m2 =0.5 kW/m 2 式中系数 a, c 采用典型值 4： a=0.002 5/； c=0.002 88/。 系数 b 采用优化后的参数值 3： pv b= 0.194 9+7.056 10 4 S 设 T E 为任意的环境温度，则光伏电池板温度 T 为： = E 图2 太阳能电池 I V 特性曲线 太阳能电池的理论分析中，但式 ( 1) 中参数 Iph，I o， Rs，Rsh 和 n 难以确定，且不是厂家提供的技术参 数，不便于工程的分析应用。 1.2 光伏电池工程模型 厂家提供标准条件（日照强度 S B =1 kW/m 2， 电池温度 TB =25）下电池板的测试参数 I sc , Voc, I m , V m，为建立工程用模型，在式 ( 1 ) 的基础上做 两个近似 8 ： ( 1 ) 由于 Rsh 非常大， 所以忽略 ( V+R s I ) /Rsh 项。 ( 2 ) R s 远小于二极管正向导通电阻，所以假设 I sc=I ph 。 基于以上假设，光伏电池 I V 方程简化为： = sc 1 sc + ( 11 ) 式中 K 据试验测得大量数据取为 0.03 m2/W。 2 最大功率点跟踪 (MPPT) 模型 exp / 2 oc 1 （2） 光伏阵列 I V 特性是非线性的，所以存在一 个点， 能使得光伏阵列输出功率最大，使得光伏发 电系统的能量转换效率最高。最大功率点跟踪 ( MPPT ) 已经成为国内外的研究热点 910 。 2.1 方法 1 由任意时刻光伏电池的输出电流、 输出电压求 解。 光复阵列在任意日照强度和环境温度下的功率 为： = = sc 最大功率点时 1 1 exp / 2 oc 1 ( 12 ) exp m / 2 oc 1 exp m / 2 oc 在最大功率点处由极值条件 dP/dV=0 得： sc 可解 C 1, C 2 得： 1 1 1 exp sc / 2 1 oc 1 / 1 2 oc 2 oc = 1 = m m / sc exp 1 ln 1 m / m 2 oc （3） 1 exp =0 ( 13 ) 2 / oc / sc （4） 当日照强度和电池温度均有变化时， 重新计算 I sc_new, Voc_new, I m_new, Vm_new ，然后求出 C 1_new, C 2_new, 即可得新的 I V 特性曲线： = B 上式为一个超越方程， 可由迭代法解出对应的 最大功率点电压 ，代入式 ( 2 ) 即可求得 ，最 大输出功率为： max = m m ( 14 ) 。 1 B （5） （6） 1+ （7） （8） （9） = oc_new 2.2 方法 2 利用日照强度和电池温度变化量来求 如式 ( 9 ) 、 ( 10 ) 所示，相乘即可得： max , = oc 1 sc B = m m sc_new = = 1+ 1+ B m_new m 方法 1 是基于系统的实际输出量求得的最大功 率解， 通过设定误差限可求得较精确的解， 但迭代 求解比较复杂，花费时间较长，且 C1, C2 取为定 值，有微小的误差；方法 2 是基于日照强度和电池 温度变化量的方法来求解的，实现简单， 但计算过 程中的定值参数较多，相应的截断误差也稍大。工 第4期 王长江 基于 MATLAB 的光伏电池通用数学模型 13 程应用允许相对误差为 6%， 方法 2 完全能够满足。 所以采用方法 2 建立 MPPT 模型。 Pm/kW 120 3 通用 MATLAB 仿真模型 80 40 基于以上的数学模型，在 MATLAB/SIMULINK 11 下建立光伏电池的仿真模块，封装后如 图 3 所示。内部封装参数有 , , ，其输入参数 有：S, S B , T, T B , I sc , V oc , I m, V m。输出端有 I o , V + , V , P m 。P m 输出为系统最大功率点的跟踪输 出端，显示最大功率输出的变化情况。 S_in Sref_in Isc Voc Im Vm T_in Tref_in VoVo+ Pm Io I/A 0 0 2 4 V / (b) Pm V 曲线 8 6 8 10 6 4 2 0 2 4 6 S/ (kW 2) m (c) I S 曲线 8 10 图3 光伏电池仿真模型 6 电池板标准参数选用 Isc=3.8 A， oc=21.5 V， =3.6 V Im A， m=17 V。控制电池板输出电压 Vo ， o 从 0 增 V 当 加到 Voc 时， 输出电流 I o 波形如图 4 ( a )所示， 最大功 ( b )所示； 率点的变化曲线如图 4 控制日照强度 ， 在 2 s 和 6 s 发生阶跃变化时， 输出电流 I o 波形如图 4 ( c ) 所示； 控制电池温度 T 在 2 s 和 6 s 发生阶跃变 (温度先升高在降低) ， 化 输出电流 I o 波形如图 4 ( d ) 所示。 由仿真波形可以看出，I V 曲线为非线性的， 能较好地反应真实曲线， 最大功率输出可以很好地 跟踪日照强度的变化。 当日照强度和电池温度方式 4 3 I/A I/A 5 4 3 0 2 4 T/ 6 8 10 (d) I T 曲线 图4 仿真曲线 变化时，输出电流能很快地进行调整。日照强度 S 增加时，I o 增大，电池温度 T 增加时，I o 减小，与 实际参数相符。 2 4 结 论 1 0 0 2 4 V / (a) I V 曲线 6 8 10 光伏电池是一个非线性电源， 其输出量与多个 变量都密切相关，例如日照强度和环境温度等。本 文基于光伏电池物理模型， MATLAB/SIMULINK 在 环境下。建立的通用数学仿真模型，能模拟参数变 化时输出量的变化。 14 电 力 科 学 与 工 程 2009 年 参考文献： 1 OMAN H. Space solar power development J. IEEE AES Systems Magazine, 2000, 15 (2): 3-8 2 GOW J A, MANING C D. Development of a photovoltaic array model for use in power electronics simulation studies J. IEE Proc electric power Appl, 1999,146-193. 3 VIOREL B. Dynamic model of a complex system including PV cells, electric battery, electrical motor and water pump J. Energy, 2003, 28 (12): 1165-1181. 4 YUSHAIZAD Y, SITI H S, MUHAMMAD A L. Modeling and simulation of maximum power point tracker for photovoltaic system C. National Power & Energy Conference, 2004, (29-30): 88-03. 5 吴忠军, 刘国海, 廖志凌. 硅太阳电池工程用数学模型参 数的优化设计 J. 电源技术, 2007,31 (11): 897- 901. 6 苏建徽, 余世杰, 赵为, 等. 硅太阳电池工程用数学模型 J. 太阳能学报, 2001,22 (4): 409- 412. 7 崔容强, 赵春江, 吴达成. 并网型太阳能光伏发电系统 M. 北京: 化学工业出版社, 2007. 8 赵争鸣. 太阳能光伏发电及其应用 M. 北京: 科学出版 社, 2005. 9 KOUTROULIS E, KALAITZAKIS K, NICHOLAS C. Voulgris, Development of a Microcontroller-Based Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System J. IEEE TRANSANTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2001,16 (1): 47-54. 10 张超, 何湘宁. 短路电路结合扰动观察法在光伏发电最 大功率点跟踪控制中的应用 J. 中国电机工程学报, 2006,20 (26): 98-102. 11 王正林, 王胜开, 陈国顺, 等. MATLAB/SIMULINK 与 控制系统仿真 M. 北京: 电子工业出版社, 2009. Versatile Model for Photovoltaic Cell Based on MATLAB Wang Changjiang (School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China) Abstract: The output characteristics of PV cells are no-linear, so its necessary to establish a more accurate mode of PV cells in simulation. A versatile model for photovoltaic cell was designed by using MATLAB based on the physical model of photovoltaic cell. With the model, the I-V characteristics of photovoltaic cell in any condition can be simulated. The parameters were calculated by t