基于PSIM的光伏阵列仿真模型的研究

1、安阳师范学院目 录摘 要11 介绍22 光伏电池的理想电路模型33 光伏阵列的数学模型34 光伏阵列仿真模型45 光伏阵列模型仿真结果66 结论10参考文献11摘 要根据光伏电池相关的理论和数学模型，利用PSIM建立一种简单并且准确的光伏阵列模型。同时，在此模型的基础上建立具有MPPT功能的直流变换器仿真模型。比较不同环境下的输出曲线的仿真结果以及实验数据。仿真结果和实验数据吻合，证明了此模型的适用性和准确性。 关键词: 光伏电池；仿真；PSIM；最大功率点跟踪 1 介绍 太阳能由于具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、容易获取和环保清洁等众多优点，已经变得越来越重要，但它亦有一些固有的缺陷：能量

2、分散性大、密度低，光照强度因季节、昼夜的变化具有间歇性，而且受气候、地理环境的影响很大。因此，为了从光伏阵列中获得最大的能量输出，要求光伏阵列在任意时刻都工作在其最大功率点（MPP）附近。如何使光伏阵列的负载与其最大功率点相匹配一直是光伏发电领域的研究热点，而计算机仿真则是研究这一内容的有效手段。 光伏电池是光伏发电系统中的关键部件，其I V-特性是太阳辐射强度、环境温度和光伏模块参数的非 线性函数。要实现光伏发电系统的动态仿真，首先一步是如何对光伏阵列IV-特性能进行仿真模拟。通常 有两种仿真建模方法1基于光伏阵列物理机制和外特性的建模方法。两种方法各有千秋，但是基于物理机制的模型由于不利于

3、电路仿真用户解读，尤其在目前光伏阵列产品更新快的时代背景下其模型参数往往与光伏产品的常规参数对应关系不明确而影响仿真精度。基于外特性的模型则由于其对电路仿真用户的友好接口而具有较高的试用价值。 在光伏发电系统里，如飞行器和卫星的电源系统，光伏阵列所发的电能的质量和性能很差，很难直接供给负载试用，需要使用电力电子器件构成的变换器将该电能进行适当的控制和变换。DCDC-变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。用DCDC-变换器可以实现对光伏阵列的最大功率点追踪（MPPT）2PSIM是针对电力电子电路以及电力拖动而设计的软件，其中的器件都基本采用理想模型，计算速度

4、非常快，虽然不能直接分析复杂的电力电子开关过渡过程，但是用户可建立自己的期间模型，给建模带来了很大的灵活性。本文在PSIM仿真环境的基础上，基于光伏阵列的外特性，提出了一种简单光伏阵列仿真模型。该模型很好的处理了光伏阵列产品参数变化（如标准条件下光伏电池的短路电流、开路电压、电压电流温度系数等）、环境温度、太阳辐射强度、光伏阵列串并联数等对IV-特性的影响，并考虑了系统是否带有MPPT功能。本文基于以上理论，建立了一种基于PSIM的光伏阵列仿真模型。2 光伏电池的理想电路模型光伏电池的等效电路如图所示。 图1 光伏电池等效电路图其中，为光生电流。值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。12 c

5、m光伏电池的值均为1630mA。环境温度的身高，值也会略有上升，一般来讲温度每升高1，值上升78µA。DI为暗电流无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的就是光伏电池在无光照时，有外电压作用下P-N结内流过的单向电流为光伏电池输出的负载电流。为电池的开路电压。电池的开路电压与入射光照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电磁面积的大小无关。温度每上升1，下降23mV。 3 光伏阵列的数学模型 单个的光伏电池由于其容量较小，输出电压只有零点几伏、输出峰值功率也自由1W左右，一般不能满足负载用电的要求，也不便于安装使用。在实际运行中，需要按照功率等级和电压

6、等级将若干光伏电池串并联组合成光伏阵列。熟悉光伏电池的电路模型后，我们就可以通过电路分析救出相关表达式表示光伏阵列的特性，这就是光伏阵列数学模型2的建立。 （1）其中，分别为光伏阵列中串联和并联的光伏电池的个数。为光生电流。为二极管反向饱和电流。L,q为电子常量；A为二极管排放系数；K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。为光伏阵列输出电压、电流。在光伏阵列的常量参数（如、A等）确定的情况下，其输出伏安 特性很大程度上决定于太阳辐射强度，而其MPP也随辐射强度的不同而改变。公式（1）可以写为(2)其中，为了简化公式（2），可以对(1) 作二阶泰勒展开，在考虑其结 果近似和降低算式复杂度的综合考量下，其

7、泰勒展开式近似于将此近似值代入（2），简化 后可得： (3)其中， 。4 光伏阵列仿真模型目前，国内外光伏阵列仿真模型的研究126主要建立在基于S函数的MATLAB/Simulink仿真软件的基础上。光伏发电系统属于电力电子应用系统的一种，有很多应用系统仿真的商用软件，如PSPICE、MATLAB、SABER和PSIM，对于PSPICE来说，其主要应用于电子电路的仿真，虽然人们在PSPICE下实现了电力电子器件模型，但是在将这些模型用于电路仿真并采用比较灵活的控制策略时仍有很大局限性，因此在PSPICE环境下实现像光伏发电闭环控制这种复杂控制策略，具有相当难度。MATLAB下的SIMULINK

8、/Power system工具包也具有仿真电力电子电路的功能，并且在实现控制策略方面具有很大的优势，但是其采用的功率器件模型过于简单，电力电子主电路建模不够灵活。SABER不适合单独的项目研究和短期的开发行为。而PSIM由于是针对电力电子电路以及电力拖动而设计的软件，其中的器件都基本采用理想模型，计算速度非常快，虽然不能直接分析复杂的电力电子开关过渡过程，但是用户可建立自己的期间模型，给建模带来了很大的灵活性。另外，PSIM软件具有C语言和MATLAB接口，在容易实现电力电子主电路建模的基础上，充分扩展了控制策略的实现方式，集合了几个仿真软件的优势，所以，我们选择PSIM作为我们的仿真平台。

9、在进行建模之前，先作如下假设：1) 忽略光伏电池的分布效应。 2) 忽略光伏照射不均匀产生的温度梯度。 3) 忽略阴影遮挡部分组件或单片电池在恒流条件下被遮挡部分对输出电压的限制。 虽然光伏阵列模型对应于光伏阵列产品的参数相对恒定，但是可以通过用户定义模块或者查表法完善其 模型。 通过公式（1）（3），建立的PSIM模型如图所示。为了测试模型的实用性，把相关参数代入公式（3），并为模型连入一个可变阻抗的负载。温度对于光伏阵列输出特性的影响可以很容易的通过简单的数学表达式整合到参数和里面。 图2 光伏阵列PSIM模型5 光伏阵列模型仿真结果在建立了仿真模型后，在仿真模型的基础上代入相应产品参数（

10、表1）并为模型连入一个可变阻抗的负载，就在计算机上绘制出光伏阵列的电气特性曲线。本模型选用无锡尚德公司量产的光伏电池组件STP034-12/Lb，其开路电压为21.6V，短路电流为2.02A,峰瓦为34W。光伏阵列产品参数如表一所示。表1 光伏阵列产品参数仿真模型输出的在不同光强下电池板的I V-和PV-特性曲线如图3图4所示。 图3 仿真模型在不同光照及温度条件下的伏安特性曲线 图4 仿真模型在不同光照及温度条件下的PV特性曲线图3和图4是温度T=25(实线所示)和56(虚线所示)时，光强分别为1002/mWcm、 802 /mWcm、602/mW cm、402/mWcm、202/mWcm下

11、的仿真模型的输出电流与电压以及功率与电压的关系，从 图3中可以看到光强越大，输出的电流也就越大，短路电流越大，而开路电压变化不大。从图4中可以看到每条曲线都有唯一的最大值，这就是光伏阵列的最大功率点，温度越大，输出的功率越小，最大功率点的值也越小，而最大功率点对应的电压也越小。在光伏系统的应用中，如果阵列中部分组件表面被周围环境影响如临近物体的阴影短时遮挡住时，被遮挡的光伏电池得不到日照就会对光伏阵列的输出产生较大影响，在此情形下，光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。它的大小反映出在当前环境温度下，光伏电池PN结自身所能产生的中扩散电流的变化情况，其作用为以牺牲输出电压为代价保持输出

12、功率的大小。在PSIM光伏阵列模型中，通过改变串联电池数sN能够使其能应用于局部遮挡的场合。 为了验证光伏仿真模型的实用性，我们在PSIM环境下建立了一个带有MPPT功能的直流变换器如图5所示。其中，1C取10µF，2C为100µF，L1、L2为100µH，R为40欧， 为 30kHz为了实现直换器的MPPT功能，在用PSIM建立模型的时候，采用其提供的子电路的方式不仅不容易实现，而且无法满足简介、方便的要求，所以，我们通过C语言编写基于干扰观测法5的外扩DLL（动态链接库）来实现对光伏模型的MPPT功能。干扰观测法是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是每隔一

13、定时间增加或者减少电压，并观测其后的功率变化来决定下一步的控制信号。光伏阵列仿真模型的MPPT特性曲线如图6所示。 图5 带MPPT功能的直流变换器PSIM仿真模型 图6 光伏阵列仿真模型的MPPT特性曲线为了验证建立的仿真模型实用性，我们同时在实验室里面建立了简单的光伏阵列输出特性测试平台，其测试电路图如图7所示，左边是待测光伏阵列的等效电路，右边是测量电路。 图7 光伏阵列输出特性测试的原理图当负载电阻LR调到足够小时，电池输出电压很低，电流表测出负载LR上电流即可认为是短路电流scI； 当负载电阻LR调到足够大直至断路，输出电流等于0，此时电压表测得的电压即为开路电压ocU；通过不断调节负载电阻LR，把光伏电池的输出电压和电流绘制下来就得到伏安特性曲线如图8所示。比较图8和图4，仿真结果和实验数据吻合，这证明了此模型的适用性和准确性。图8 光伏阵列测试IV、PV特性曲线6 结论 光伏阵列的I V-特性是研究光伏发电系统的关键。本文由光伏电池的输出伏安特性以及等效电路模 型，根据电路分析的知识求出由若干个光伏电池串并联组成的光伏阵列的输出伏安特性的数学表达式，再由数学表达式建立基于PSIM的光伏阵列仿真模型，在较为理想的仿真模型的基础上，我们考虑了光伏阵列被部分遮挡的情况并对其模型进行了完善，进一步建立其MPPT的仿真模型，最后通过比较仿真结果与实验数据我们得到如下结论：利