数值建模与仿真-光伏电池.doc

摘 要开发新能源和可再生清洁能源是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五项技术领域之一。充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，其中太阳能发电则最受瞩目。由于目前光伏电池板转换效率比较低，为了降低系统造价和有效地利用太阳能，该论文对光伏发电进行最大功率跟踪显得尤为必要。本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，分别从工程数学模型、matlab建模仿真方面对外界环境影响因素就行分析，同时对具有最大功率点跟踪（MPPT）的控制器的原理进行了研究，并分析比较各测量方法的优缺点。Keywords: 太阳能发电 ；转换效率；MPPT；matlab建模仿真AbstractThe development of new energy and renewable clean energy is one of the five technologies have the most decisive influence in the development of the world economy in twenty-first Century. The full development and utilization of solar energy is the energy strategy of the governments of the world sustainable development, where the solar power generation is the most popular. Due to the current solar photovoltaic conversion efficiency is low, in order to reduce the cost of system and the effective use of solar energy, the photovoltaic maximum power point tracking is particularly necessary. This article base on how to improve the conversion efficiency of solar photovoltaic power generation system, from the aspects of MATLAB modeling and simulation calculation of measurement results 前言世界的节约能源概念普遍下，光伏电池绿色科技已是目前的产业新星。而这波绿色科技潮流，又首推太阳能最为行情看涨，有可能成为全球红透半边天的明日之星。面对国际油价不断飙高，第三次石油危机即将到来的危机，一股全世界重新洗牌的能源卡位战，已经响起咚咚战鼓，蓄势待发了。当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。总之，随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。近二、三十年来，太阳能光伏（Photovoltaic，PV）发电技术得到了持续的发展，光伏发电已经成为利用太阳能的主要方式之一。开展太阳能光伏发电系统的研究，对于缓解能源和环境问题，开拓广阔的光伏发电市场和掌握相关领域的先进技术，具有重大的理论和现实意义。摘要1Abstract1Key Words1前言2第1章 概述31.1 光伏产业的发展现状31.1.1 国外光伏产业发展现状31.1.3 国内光伏产业发展现状31.2 本课题主要研究内容和意义4第2章 光伏电池原理及其模型的建立52.1 光伏电池的工作原理52.2 光伏电池等效电路52.3 光伏电池的特性72.4 光伏电池模型的建立82.3.1 工程用光伏电池的数学模型82.3.2 光伏电池的matlab模型9第3章 MPPT控制器143.1 开路电压法算法的具体模型143.1.1 开路电压法算法的具体模型153.1.2 扰动观察法算法的具体模型163.1.3 恒压控制法算法的具体模型173.2 波形比较183.3 各种方法的优缺点20结 论参 考 文 献-3-4-第1章概述1.1 光伏产业的发展现状1.1.1 国外光伏产业发展现状1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了太阳能光伏发电的发展。随着人们对能源和环境问题认识的不断提高，光伏发电越来越受到各国政府的重视，科研投入不断加大，鼓励和支持光伏产业发展的政策也不断出台。以1997年美国总统克林顿的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本还有欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷开始制定本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发展。专家预测到2030年，光伏发电将占世界发电总量的50，所以，大力发展太阳电池产业是一件有利于降低环境污染并造福人类的伟大事业，太阳电池也必将成为人类未来能源的希望之星。1.1.2 国内光伏产业发展现状我国于1958年开始太阳能电池的研究，1959年研制成功第一个又实用价值的太阳电池，1971年首次成功应用于东方红二号卫星上，于1973年开始用于地面。在19731987年短短的几年内，先后从美国，加拿大等国引进了7条太阳电池生产线，使我国太阳电池生产能力从1984年以前的200kW跃到1988年的4.5MW。自2002年起我国太阳电池制造业高速发展，年均增长率达180%。据不完全统计，全国光伏产品生产企业逾500家。2006年我国光伏电池的产量369.5MW，同比增长145.0%，产量超过美国居全球第三位，占全球产量的14.8%。全国光伏企业500多家中，已在海外上市企业有10家，但产能在5MW以上的企业仅20多家，多数企业规模小、技术水平低，尚未达到经济规模，造成资源严重浪费和无序竞争。太阳能电池制造业的迅猛发展，使国内硅材料严重短缺，多晶硅供不应求，所需多晶硅90%以上需要进口。1.2 本课题主要研究内容和意义1.2.1研究内容(1)建立了太阳能光伏电池的工程数学模型，并以此为基础设计一种采用多段直线和二次曲线模拟光伏电池I-V曲线的算法，该算法简化函数方程，使其满足DSP计算的要求，同时也保证了较高的模拟精度，减小了系统误差。 (2)建立光伏电池matlab数值模型，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。1.2.2研究意义通过模拟光伏电池输出的I-V曲线，从而能够代替实际的太阳能光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验，并满足易于修改设定的要求的光伏电池模拟器。使光伏实验不再受到场地、自然气候条件等的影响，降低实验成本，节省实验时间。建立光伏电池仿真模型，有利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，并将这些影响因素置入实际使用中，提高光伏电池转换率。第2章 光伏电池原理及其模型的建立2.1 光伏电池的工作原理太阳能光伏电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就变成了可以使用的电能。由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p-n结，以增加入射光的面积。光生伏打效应原理简图如图2-1图2-1 光生伏打效应原理简图2.2 光伏电池等效电路根据电子学理论,太阳电池的等效电路如图2.2所示。图2-2 太阳能电池等效电路用公式表示太阳能电池发电状态的电流方程式为： I=IL-Id-Ish （2-1） I=IL-I0expqV+IRsAKT-V+IRsRsh (2-2)式中： IL：光生电流,A； ID：流过二极管电流，A； V：输出电压,V； I：输出电流,A； Rsh：等效并联负载,； Rs：等效串联负载，； I0：反向饱和电流，A； q：电子电荷(1.61019C)； A：二极管因子； K：玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K)； T：绝对温度，K；其中Rsh的值很大，而Rs的值很小，因此在一般分析中为了简化分析过程可将其忽略。上式（2-2）是基于物理原理的太阳能电池最基本的解析表达式,已被广泛应用于太阳电池的理论分析中,但由于表达式中的5个参数,包括IL、I0、Rs、Rsh和A,它们不仅与电池温度和日射强度有关,而且确定十分困难,因此不便于工程应用,也不是太阳电池供应商向用户提供的技术参数2.3光伏电池的特性光伏电池的输出特性太阳能电池具有独特的I-V 特性，该特性由太阳能电池材料的物理特性所决定。太阳能电池组件的I-V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ref S = 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： I=Isc1-C1expVC2Voc-1 (2-3)在最大功率点处V=Vm,I=Im，可得： Im=Isc1-C1expVmC2Voc-1 (2-4)由于在常温条件下expVm/(C2Voc) 1,可忽略式中的“-1”项,解出C1: C1=1-ImIscexp(-VmC2Voc) (2-5)在开路状态下，当I=0时，V=Voc，并把（2-5）带入（2-3）得： 0=Isc1-1-ImIscexp(-VmC2Voc)exp1C2-1 (2-6)由于exp(1/C2)1,忽略式中的“-1”项,解出C2： C2=VmVoc-1/ln(1-ImIsc) (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(w/m2)、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： T=Tair+KS (2-8)对于一般情况K值可取为K=0.03(m2/W)。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： dT=T-Tref (2-9) dI=SSrefdT+(SSref-1)Isc (2-10) dV=-dT-RsdI (2-11) I=I+dI (2-12) V=V-dV (2-13)式中：参考日照强度下的电流温度系数,A/； ：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: =0.0012Isc(A/) =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2.3 matlab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2.4 matlab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400 w/m2,600 w/m2,800 w/m2,1000 w/m2及环境温度为65光照强度为400 w/m2,600 w/m2,800 w/m2,1000 w/m2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6.24 mA/电压温度系数0.221 V/串联电阻0.5表2.1 仿真用光伏板参数图2.5 simulink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400 w/m2,600 w/m2,800 w/m2,1000 w/m2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400 w/m2,600 w/m2,800 w/m2,1000 w/m2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”（Maximum Power Point Tracking）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(Maximum Power Point Tracking，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。3.1 MPPT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：还是存在功率振荡的现象和受温度变化的影响。优点：提高方法不难实现，现在被普遍使用，而且跟踪精度较高，受温度变化的影响程度不大。结 论太阳能产业的开发利用 ,从中长期来看 ,是一 项有利于人类可持续发展的事业。作为一个致力于提高全人类生活质量的负责任的最大的发展中 国家 ,