光伏串并联后的数学模型

精品文档 1欢迎下载 1 1 光伏电池数学模型光伏电池数学模型 单个光伏电池的 I U 曲线是随光照强度 温度变化的非线性曲线 精确的等效电路模型如下 由图 1 通过基尔霍夫定律可得 其中 等式右边第一项为恒流源 第二项为流过二极管的电流 第 三项为并联电阻上的电流 Rs 为光伏电池的内阻 RP 为光伏电池的 并联电阻 In为流过二极管的反向饱和漏电流 ISC为光伏电池的短 路电流 在一定光照和温度下为一常量 对公式求导 精品文档 2欢迎下载 由公式可见 dI dU 0 即在光伏电池的正常工作范围内 输出电 流 I 随着输出电压 U 的增加而单调降低 具有一一对应关系 这是 后面光伏电池组串并联特性分析的基础 2 2 光伏电池的串并联光伏电池的串并联 一般的光伏电池板东都是通过多块光伏电池以串并联的方式组 成光伏阵列而工作 例如 假定光伏列阵各光伏电池的输出特性和内特性相同 则光伏阵 列可看作 先由 n 个光伏电池并联成一组 然后再由相同特性的 m 个光伏电池组串联组成 先考虑 n 个光伏并联的情况 并联的光伏电池具有相同的外工 作电压 每一光伏电池的输出电流也是相同的 则总的输出电流为 由公式可见 多个光伏电池并联时的数学模型与单个光伏电池 的相似 通过求导也可得出其总输出电流和输出电压的一一对应关 系 精品文档 3欢迎下载 当 m 个光伏电池光伏电池串联而成光伏阵列时 由于每个光伏 电池组具有相同的工作电流 则每组上的电压也相同 设总的输出 电压为 V 则得到总输出电流与输出电压的关系式 由此可见 光伏电池串并联后组成的光伏阵列也具有和单个光 伏电池相似的输出数学模型 令 D 则公式化为 一般的太阳能电池生产厂家都会给出一定温度下的开路电压 短路电流 最大功率点输出时的电流和电压等参数 则可以计算出 IOD R1 R2 B 等未知量 多个太阳能电池板串联时 仍使用 令 V1 V I0R1 则公式可化为 此公式是串并联光伏电池组的 Matlab 等效模型所依据的数学基 础 其对应的串并联光伏电池组的等效电路图 精品文档 4欢迎下载 3 3 光伏电池组件的通用模块的建立及仿真 光伏电池组件的通用模块的建立及仿真 3 13 1 光伏电池组件的通用模块的建立光伏电池组件的通用模块的建立 在Matlab Simulink平台下 利用式建立光伏电池组件的通用模 块 其封装和参数界面如图2和3所示 本模块通过设定Np和Ns 不仅 可以对太阳能电池单体进行仿真 同时还可以对较大功率的光伏组 件进行仿真 该模型可以计算出当前光辐照度和温度下的功率P最大 功率点Wp 数学模型的内部结构数学模型的内部结构 精品文档 5欢迎下载 光伏阵列光伏阵列MatlabMatlab仿真模型封装仿真模型封装 其中T R Vpv分别为实时环境温度 太阳辐射强度和光伏阵列的工 作电压 Iout 为光伏阵列输出电流 根据系统是否带有 MPPT 输出电 流可以是Imp或对应Vpv 的实际阵列电流Iout Vmp 为光伏阵列最大 功率点的电压 d 为接地点 3 23 2 光伏电池组件的通用模块的仿真光伏电池组件的通用模块的仿真 表表 1 1 仿真电路参数设定 仿真电路参数设定 V Voc oc I Isc sc W Wp pV Vmp mp T T1 1 工作温工作温 度度 V Voc oc温度系数 温度系数功率温度上功率温度上 限限 21 121 1 V V 3 8A3 8A60W60W17 1V17 1V3mA k3mA k49 49 73mV 73mV 0 38W 0 38W 精品文档 6欢迎下载 在仿真实验中 输出端接一可变电阻作为系统负载 通过改变电阻 R 的值 测量相应的Ipv Vpv 标注在 I V 坐标中 将这些点连成一 条曲线 系统仿真结果如图 4 至图 5 所示 这里采用数学模型的 I V 特性代替太阳能电池的实际输出特性 图 4 分别给出在参考温 度下 25 不同光照强度下的 2 条模拟特性曲线 图 5 所示为 在参考条件下 1000W m2 25 模拟器的输出特性与数学模型 I V 特性的比较 由这些图可以明显看出该模拟器可以精确的模拟 太阳能电池的输出特性 图图 4 4 光伏组件在不同光照强度下的特性曲线 光伏组件在不同光照强度下的特性曲线 t 25 t 25 精品文档 7欢迎下载 表表 2 2 光伏组件在不同光强下的特性表 光伏组件在不同光强下的特性表 t 25 t 25 精品文档 8欢迎下载 假设在给定条件下 定义相对误差 测试值一仿真值 测试值 100 则可以获得Wp 最大相对误差为 0 7 Vmp最大相对误差 为 0 5 在 0 100 Voc温度系数为 70 mV 功率温度系数 为 0 15 W 从表 2 可以明显看出 光辐照度从 1 kW m2减小到 0 2 kW m2 Voc 从 21 1 V 减小到 19 2 V 减小了 9 而 Vmp 从 17 V 减小到 16 V 减小了 6 温度从 0 100 时 Voc从 22 8V 减小到 15 8 V 减小了 31 而 Vmp 从 19 V 减小到 11 5 V 减小了 39 在不同温度下进行仿真 得其输出特性结果如图 5 及表 3 所示 表表 3 3 光伏组件在不同温度的特性表 光伏组件在不同温度的特性表 精品文档 9欢迎下载 图 5 光伏组件在不同温度下的特性曲线 Eref 1kW m2 精品文档 10欢迎下载 从中可以看出温度主要影响电压 光强度主要影响电流 Vmp和 Voc 的变化趋势基本相同 在 t 25 下 Vmp 0 81Voc可以为定电压最大 功率点跟踪法提供理论数据 4 4 光伏阵列 光伏阵列 MatlabMatlab 通用仿真模型通用仿真模型 基于上述数学模型在 Matlab 环境下 利用 simulink 工具 并结合 编写 S 函数 建立了光伏阵列的通用仿真模块 下图为光伏阵列 Matlab 仿真模块内部结构 其中sfunpv为 S 函数用来实时求解对 应任意太阳辐射环境温度下太阳电池的最大功率电电压Vmp和电流 Imp 精品文档 11欢迎下载 图 6 所示用户交互界面方便地设置上述参数从而构成不同 I V 特性 的光伏阵列 五 课题总结五 课题总结 光伏阵列的 I V 特性除了与光伏电池模块参数及模块串并联方式有 关以外还与环境温度太阳辐射强度有关因而光伏阵列实际上是一个 与多个参量高度非线性相关的电源实时模拟其 I V 特性是研究光伏 并网发电系统动态性能的关键本文根据光伏电池的物理数学模型并 精品文档 12欢迎下载 结合编写 S 函数开发了光伏阵列的 Matlab