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文档简介
太阳能电池阵列仿真研究
在构建照明系统时,由于光强和温度的很大变化,使用真实的光束电池矩阵是非常昂贵的。尤其是当被研究的光伏系统的功率在数百瓦甚至更大级别时,为了降低投资,提高系统的可行性,建立光伏电池阵列模型就显得十分重要。光伏电池阵列模型可以模拟出在不同的光照强度、环境温度以及不同组合下的光伏电池阵列的特性、负载能力与系统的性能,可以大大缩短光伏系统的研究周期,提高研究效率和研究结果的可信度。因此建立光伏电池阵列模型在实际工作中是非常必要的。本文介绍了一种在MATLAB/Simulink环境下,模拟一个实用的光伏电池阵列模型的方法。1光伏电池模块的等效电路光伏电池的发电是利用光入射于半导体时所引起的光电效应,其基本特性和二极管类似,可用简单的PN结来说明。当具有适当能量的光子入射于半导体时,光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴(因失去电子而带正电荷),电子接收光能,向N型半导体扩散,使N型半导体带负电,同时空穴向P型半导体移动,使P型半导体带正电,这样,在PN结两端便产生了电动势。这时,分别在P型半导体和N型半导体电极处焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,构成电池元件。图1是光伏电池等效电路,其工作原理为:当光照恒定时,由于光生电流IL不随光伏电池的工作状态而变化,因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入负载后,光生电流流过负载,从而在负载的两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上,产生一股与光生电流方向相反的电流Id。此外,由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率,当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗,故引入串联电阻Rs。串联电阻越大,线路损耗越大,光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中,一般串联电阻都比较小,大都在10-3Ω至几欧之间。另外,由于制造工艺的因素,光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕,从而会形成漏电,导致本来要流过负载的光生电流被短路掉,因此引入一个并联电阻其中Rsh来等效。相对于串联电阻来说,并联电阻比较大,一般在1kΩ以上。由等效电路图可得光伏电池特性的一般公式:式中:I为光伏电池的输出电流;IL为PN结电流;IO为反向饱和电流;V为输出电压;T为绝对温度(K);q是单位电荷,其值为l.6×10-19C;k是玻耳兹曼常数,其值为l.38×10-23J/K;A为二极管理想常数,其值常在1~2之间变化。通常情况下式(1)中的(V+RsI)/Rsh项远远小于光伏电池输出电流,因此该项可以忽略。由于单个光伏电池产生的电压很小。因此,在实际中,需要通过对许多小单位的光伏电池串、并联交替组合来得到期望的直流电压或电流。据此可以得到简化的光伏电池模块的输出特性方程:式中:np、ns分别为光伏阵列模块中光伏电池并联和串联的个数。相应的光伏阵列模块中,在考虑到光照强度及温度变化的情况下,分析光伏电池工作原理可得:IL=Isc[1+α(T-Tref)]GGref(3)式中:Isc为标准测试条件下测得的光伏电池的短路电流;G为光照强度;α为光伏电池的短路电流温度系数;标注测试条件是指光伏电池的绝对温度Tref与光照强度Gref的值为参考值,即分别为298K和1000W/m2。当光伏电池处于开路状态时I=0;V=Voc。代入式(2)可得反向饱和电流的表达式为:式中:Voc,ref为标准测试条件下测得的光伏电池的开路电压;β为光伏电池的开路电压温度系数。当光伏阵列模块工作在最大功率点时,由式(2)可求得Rs:式中:Vm为光伏电池最大功率点的工作电压;Im为光伏电池最大功率点的工作电流。基于上述的数学模型,在MATLAB/Simulink环境下建立光伏电池阵列的通用仿真模型,其内部结构如图2所示。创建子系统,并在其内封装Im、Vm、Isc、Voc以及np、ns等参数,这些参数可由厂家给定产品数据中获得。仿真时,可以方便的对不同的光伏电池阵列进行设置。如图2中所示,利用Simulink工具,在光伏电池陈列的物理数字模型基础上,建立光伏电池阵列的仿真模型。其中模块输入为温度t;光照强度G;模块的输出为光伏电池阵列工作电压V和输出电流I。2光伏电池阵列的i-v、p-v模型及电路模型根据现有实验设备,设置光伏电池阵列参数为:Im=8.58A;Vm=17.5V;Isc=9.19A;Voc=22.0V,α=0.05%/K;β=-80mV/K;np=1;ns=5。在温度25℃时,测得光照强度为1000,800,500W/m2时的光伏电池阵列I-V、P-V曲线如图3、图4所示。由图3可知,当温度不变,随着光照强度的增大,光伏电池阵列开路电压基本不变,而短路电流越大,最大功率点也随之增大。从图4可以看出三条曲线的峰值几乎处于同一垂直的直线上,即当光照强度发生变化时,最大功率点的输出电压基本恒定。当光照强度为1000W/m2,环境温度分别为0,25,50℃时光伏电池阵列I-V、P-V曲线如图5、图6所示。由图5可知,当光照强度不变,随着温度的增大,光伏电池阵列开路电压减小,短路电流略有上升,但变化不大,因此最大功率点也在减小。从图6可以看出,最大功率呈线性变化。温度越高,其最大输出功率越小。由上可知,光伏电池阵列在电压较低时近似为恒流源,在电压高时其性能与恒压源类似,且开路电压近似同温度成反比,短路电流近似同日照强度成正比。将光伏电池阵列模型接入如图7所示的boost电路模型中。设置boost电路参数,运行并观测其输出,输出电压电流图形见图8、图9。其纹波较小,符合实际电路要求。仿真结果表明该光伏阵列电池模型可靠实用。3光伏电池阵列模型仿真通过分析光伏电池内部原理及其等效电路,建立其物理数学模型,并应用MATLAB的Simulink工具构建光伏电池阵列的仿真模型。由仿真结果表明:光伏电池阵列模型输出基本同实际输出相似。输出电压及电流受光照强度
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