数值建模与仿真-光伏电池

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特性强烈地随日射强度S和较强烈地随电池温度T而变化，即I

=

f

(

V

,

S

,

T)

。图2-3光伏电池的I-V特性曲线光伏电池由于其受外界影响因素(温度、光照等)很多,且其输出具有非线性特性,如图2-1的伏安(电压-电流)特性。从特性曲线看,太阳能电池在不同的光照强度下和12不同的环境温度下的伏安特性曲线大致的形状是一样的，也就是说太阳能电池的伏安特性曲线可以划分三个区域，恒流源区、最大功率区以及恒压源区。2.4光伏电池仿真模型的建立2.4.1工程用光伏电池的数学模型根据标准参考条件（标准参考日照强度refS=1000W/m2,标准参考电池温度=25℃）下光伏电池的数学模型，太阳能电池的I-V方程为：(2-3)在最大功率点处V=Vm,I=Im，可得：QUOTE(2-4)由于在常温条件下exp[Vm/(C2Voc)]>>1,可忽略式中的“-1”项,解出C1:QUOTE(2-5)在开路状态下，当I=0时，V=Voc，并把（2-5）带入（2-3）得：QUOTE(2-6)由于exp(1/C2)>>1,忽略式中的“-1”项,解出C2：QUOTE(2-7)本模型只需要输入太阳电池通常的技术参数Isc、Voc、Im、Vm,就可以根据式(2-4)、(2-6)得出C1和C2。而太阳电池I-V特性曲线与光照强度和电池温度有关。通常地面上光照强度S的变化范围为0-1000W/m2,太阳电池的温度变化较大,可能从10-70℃。按标准,取Sref=1000W/m2,Tref=25℃为参考光照强度和参考电池温度。当光照强度及电池温度S(QUOTE)、T(℃)不是参考值时,必须考虑其对太阳电池特性的影响。设T为在任意日射强度S及任意环境温度Tair下的太阳电池温度，则有：QUOTE(2-8)对于一般情况K值可取为K=0.03(QUOTE)。通过对参考日射照强度和参考电池温度下I-V特性曲线上任意点(V,I)的移动,得到新日照强度和新电池温度下的I-V特性曲线上任意点(V’,I’)为：QUOTE(2-9)QUOTE(2-10)QUOTE(2-11)QUOTE(2-12)QUOTE(2-13)式中：QUOTE：参考日照强度下的电流温度系数,A/℃；QUOTE：参考日照强度下的电压温度系数,V/℃。对于单晶硅及多晶硅太阳电池其实测值为:QUOTE=0.0012Isc(A/℃)QUOTE=0.005Voc(V/℃)。2.4.2光伏电池的matlab模型下图2.3是根据上文中的数学模型建立的光伏电池matlab模型。图2.3matlab光伏电池模型matlab提供的子系统封装功能可以大大增强matlab系统模型框图的可读性。所以为方便以后最大功率跟踪整体模型的建立，对上图光伏电池模型进行封装如下图2.4。封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。图2.4matlab光伏电池模型封装子系统封装之后还需针对其内部可变参数进行提取和关联以便无需打开封装子系统就可以对光伏电池模型参数进行设置。关联好的参数设置输入窗口如图2.5。至此光伏电池内部建模结束，本文采用的光伏板数据如表2.1所示。针对此光伏板在环境温度为25℃光照强度为400QUOTE,600QUOTE,800QUOTE,1000QUOTE及环境温度为65℃光照强度为400QUOTE,600QUOTE,800QUOTE,1000QUOTE的条件下进行仿真，其模型如图2.6所示，仿真结果曲线如图2.7(a)、(b)所示。标准测试条件下最大功率150W峰值工作电流4.95A峰值工作电压35.2V短路电流5.2A开路电压44.2V电流温度系数6.24mA/℃电压温度系数0.221V/℃串联电阻0.5Ω表2.1仿真用光伏板参数图2.5simulink光伏电池模型输入参数设置对话框图2.6光伏电池输出特性仿真模型环境温度为25℃，65℃光照强度为400QUOTE,600QUOTE,800QUOTE,1000QUOTE图2.7光伏电池电压电流特性曲线环境温度为25℃，65℃光照强度为400QUOTE,600QUOTE,800QUOTE,1000QUOTE图2.8光伏电池电压功率特性曲线通过对仿真曲线与光伏电池实测曲线对比证明了仿真曲线可以较为准确的反应光伏电池的物理特性。研究光伏电池的仿真模型，有助于理解光伏阵列的输出特性，了解影响光伏电池输出特性的各个环境因素，把这些特性用于电路和系统仿真中，有助于更加充分了解和发挥光伏电池在光伏发电系统中的应用。第三章MPPT控制器MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（MaximumPowerPointTracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最大功率输出对蓄电池充电。应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统的大脑。最大功点跟踪(MaximumPowerPointTracking，简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。3.1MPPT控制器的总体模型上图所示是MPPT算法的总体模型，我们通过对MPPT模块的替换，就可以实现对不同的MPPT算法进行仿真研究。下面是几种常用算法的仿真。3.1.1开路电压法算法的具体模型其中要把负载处开路开路电压法的MPPT跟踪曲线3.1.2扰动观察法算法的具体模型扰动观察法的MPPT跟踪曲线3.1.3恒压控制法算法的具体模型恒压控制法的MPPT跟踪曲线3.2波形比较25摄氏度下，3种方法MPPT波形图比较蓝色曲线：扰动法观擦法黄色曲线：开路电压法紫色曲线：恒压控制法50摄氏度下，3种方法MPPT波形图比较蓝色曲线：扰动法观擦法黄色曲线：开路电压法紫色曲线：恒压控制法3.3各种方法的优缺点3.1恒定电压法缺点：实现精度差，存在严重的功率振荡，温度对光伏电池开路电压的影响较大，测量开路电压要求光伏阵列断开负载后再测量，对外界条件的适应性差，环境变化时不能自动跟踪到MPP，造成了能量损失优点：控制方法简单容易实现，初期投入少。3.2开路电压法缺点：如何选择最佳的比例常数却很困难，因为是由光伏阵列的物理特性所决定的，随太阳能电池板日益老化而变化，而且由于测量开路电压需要将负载断开，导致存在瞬时功率损失问题。而且系统的功率输出并不是基于对光伏阵列输出功率计算而得，而是假设一旦开路电压确定相应的最大功率点电压也就确定了，其功率输出也就是最大。这样如果最大功率点的选取不准确，就会导致输出功率并不是最大的功率（从图中可以看出，比最大功率略低）。优点：方法原理简单，结构简单，价格低廉，受温度变化影响较小。3.3扰动观察法缺点：还是存在功率