基于MATLAB的光伏电池通用数学模型

1、本文由qpadm贡献pdf文档可能在WA嘲浏览体验不佳。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For personal use only in study and research; not for commercial use科学 与 For personal use only in study and research; not for commercial use工程Vol.25, No.4 Apr., 2009 11For personal use only in study and research; not for commercial

2、useElectric Power Science and Engineering基于MATLAB的光伏电池通用数学模型王长江For personal use only in study and research; not for commercial use(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

3、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：A0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

4、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7O 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

5、饱和电流；q为电子电荷(1.6 X 1 019 C)为 二极管因子；K为玻；n 23耳兹曼常数(1.38 X 10 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 C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

6、/m2 pv m_newm11 + (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 ； c=0.002 88/C。 系数b采用优化 后的参数值3:pvb= 0.194 9+7.056 X 10 4X 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IV 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 C）下电池

7、板的测试参数I sc , Voc, Im, 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 IV 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 Cm2/W2最大功率点跟踪（MPPT）模型 exp /2 oc 1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

8、。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11 exp /2 oc 1（12 ） exp m / 2oc 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：11 1 exp sc / 2 1 oc 1 /1 2 oc 2 oc =1 = m m / sc exp 1 ln 1 m / m2 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然后求出

9、C 1_new, C 2_new,即可得新的IV 特性曲线：=B即可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 )求得，最大输出功率为： maxm m(14 )。1B(6) 1+ (8)(9)oc_new2.2 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：maxoc 1 sc B m m sc_new1+ 1 +Bm_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

10、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 1203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

11、_in Sref_in Isc Voc Im Vm T_in Tref_in VoVo+ Pm Io I/A0 0 2 4 V / (b) Pm V 曲线 8 6 8 10642 0 24 6 S/ (kW 2) m (c) I S曲线810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

12、 ( 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/AI/A543 0 2 4 T/ C 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。24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，

13、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. IE

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17、统仿真M. 北京：电子工业出版社，2009.Versatile Model for Photovoltaic Cell Based on MATLABWang Changjiang(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric PowerUniversity, Beijing 102206, China) Abstract: The output characteristicsof PV cellsare no-linear, so it's necessary to establish a

18、more accurate mode of PV cells in simulation. A versatile model for photovoltaic cell was designed by using MATLAEbased 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 the optimizationdesign formula and it can improve the output characteristics ofthe photovo