基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究.doc

本文由MFET贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 西安理工大学学报 Jo urnal of Xi U niversity of Technology ( 2007) Vol. 23 No . 3 an 文章编号 : 100624710 ( 2007) 0320257204 257 基于 PSIM 软件的光伏电池特性的仿真建模研究 任碧莹 , 钟彦儒 , 孙向东 , 同向前 ( 西安理工大学 自动化与信息工程学院 ,陕西 西安 710048) 摘要 : 针对光伏电池研究了基于物理机制的数学模型 , 分析了串联电阻和并联电阻对光伏电池特 性的影响 。利用光伏电池特性数学表达式 ,提出了基于 PSIM 软件的仿真模型 ,给出了光照强度和 温度变化时光伏电池特性曲线 。仿真结果与实验测试数据的对比结果表明 ,仿真模型正确且可行 , 可以应用到光伏发电系统中实现动态仿真 。 关键词 : 光伏电池 ; 数学模型 ; PSIM 软件 ; 特性曲线 中图分类号 : TM615 文献标识码 : A Research on Simulation Model of PV Cell Based on PSIM Sof t ware R EN Bi2ying , ZHON G Yan2ru , SU N Xiang2do ng , TON G Xiang2qian ( Faculty of Automation and Informatio n Engineering ,Xi U niversity of Technology ,Xi 710048 ,China) an an 随着世界能源危机的加重 , 太阳能发电系统越 来越受到人们的重视 。光伏电池阵列是光伏发电系 统的关键部分 ,由于成本较高 ,在研发前期一般都采 用仿真方法来完成光伏电池各种特性的研究 。同时 在实际情况下 ,太阳光辐射强度不稳定 ,光伏电池特 性还容易受到环境温度等因素影响 , 实现光伏电池 最大功率点追踪是必要的 。因此 , 建立光伏电池数 学模型 ,有利于更加全面地探讨它的特性 ,同时也有 利于在仿真平台上实现光伏发电系统的动态仿真 。 建立数学模型的简化做法是把光伏阵列直接等效为 直流电压源 1 ,2 。但该模型不能实时跟踪太阳辐射 强度 、 环境温度变化和光伏阵列参数的变化 ,因而这 样的模型不能反映光伏电池的特性 。第二种方法是 基于光伏电池的伏安外特性法 3 ,4 , 在该模型中 , 可 对开路电压 、 短路电流以及拟合曲线系数进行修正 , 使其模型的特性与实际光伏电池在不同光照和温度 下的特性相似 。优点是模型较简单 。缺点是不能准 确反映其物理特性 ,模型参数与实际参数不对应 ,对 收稿日期 : 2007204216 作者简介 : 任碧莹 ( 19712) ,女 ,河南沁阳人 ,讲师 。E2mail : renby xaut . edu. cn 。 Abstract : In t his paper , mat h model is st udied based o n p hysics t heory of PV cell , and t he influ2 ence of series resistor Rs and parallel resistor Rsh o n PV cell characteristic is analyzed. By using PV cell characteristic mat h exp ressio n , simulatio n mo del is p ropo sed based o n PSIM , and t hen PV cell characteristic curves are p resented wit h light intensit y and temperat ure change. By t he co nt rast of t he simulatio n result s wit h experiment date result s , it is validated t hat simulatio n model is right and feasible , and t hat it can be used in PV system to realize t he dynamic simula2 tio n. Key words : PV cell ; mat h model ; PSIM soft ware ; characteristic curves 温度 、 光照等外围参数设定较困难 。第三种方法是 从物理机制角度来建立光伏电池数学模型 5 。本文 针对物理机制的光伏电池数学方程 , 利用 PSIM 软 件建立了相应仿真模型 ,该模型能够描述其特性 ,并 且能够模拟外界环境变化 , 为光伏发电系统的研发 提供良好的仿真平台 。 1 光伏电池特性数学表达 单结晶硅光伏电池的电路原理如图 1 所示 。一 般光伏电池阵列是由若干个电池单体串联和并联组 成 ,封装后可作为光伏发电系统的电源 。光伏电池 单元电路特性方程如下 6 ,7 。 图1 单个光伏电池单元等效电路 Fig. 1 Single2PV cell unit equivalent circuit 258 西安理工大学学报 ( 2007) 第 23 卷第 3 期 由太阳能光伏电池等效电路可得出 : Iarray = I sc - Id - I sh ( 1) 其中 Iarray 是光伏电池输出电流 , I sc 是短路电流 , Id 是流过二极管的电流 , I sh 是太阳能光伏电池的漏 电流 。 理想二极管的太阳能电池的 I2V 特性如式 2 所示 : Id = Ido exp q ( V array + R s Iarray ) nA k T c V array + R s Iarray R sh - 1 ( 2) ( 3) I sh = Iarray = I sc - Ido exp q ( V array + R s Iarray ) nA k T c - 式中 Tc 是电池内部绝对温度 , V array 是光伏电池输 出电压 , Ido 是二极管饱和电流 , R sh 是内部并联电 阻 , R s 是内部串联电阻 , q 是电子电荷 , 为 1 . 602 10 - 19 C , A 是二极管系数 , 通常为 1 . 0 3 . 0 , k 是波 图2 并联电阻 R sh 对最大功率的影响 Fig. 2 Parallel resistant effect o n t he MPP T 尔兹曼常数 , k = 1 . 38058 - 23 J , n 是多个电池串 10 联系数 。 综合式 ( 1) ( 3) 可得式 ( 4) : 1 - V array + R s Iarray R sh ( 4) ( 5) ( 6) 式中 I sco 是标准日照 、 标准温度时的短路电流 , 温度 系数 ht = 6 . 4 - 4 ( K - 1 ) , Tco 是基准绝对温度 , 常 10 数 a = 1 . 336 4 , 常数 b = 235 , 是光照强度 , 10 o 是标准光照强度 。 上述方程描述了光伏电池的 I2V 特性 , 式中参 数来源于电池材料的物理特性 。从式 ( 5 ) 可以看出 短路电流与光照强度成正比 , 同时也受到温度变化 的影响 。从式 ( 6) 可以看出二极管饱和电流主要受 温度的影响 , 与温度成非线性关系 。从式 ( 4 ) 可见 , 光伏电池输出电流与输出电压之间呈非线性关系 , 同时与光照强度 、 温度有很大关系 。由于不同厂家 生产的光伏电池参数略有不同 , 同时当内部串联电 阻 R s 和并联电阻 R sh 发生变化时 , 对电池特性也存 在一定影响 , 因此利用 Matlab 分析 R s 和 R sh 对光伏 电池输出特性的影响 。 图 2 是标准条件下 ( T = 25 , = 1000 lx ) , V oc = 21 . 6 V , I sc = 2 . 5 A , R s = 0 . 2 , R sh 从 200 变化 到无穷大的功率2电压曲线 。图 3 是 R sh = 2 k , R s 从 0 . 0 变化到 2 . 0 的功率 2电压曲线 。 可以看出当电阻 R sh 越小时 , 最大功率点越小 , I sc = I sco 1 + ht ( Tc - Tco ) Ido = bT c exp 3 - a Tc 1 k 时 , R sh 的变化对最大功率点的影响很 小 。当电阻 R s 越大时 , 同样会导致最大功率点越 小 。当 R s 1 k 以及 R s 0 . 1 时 , 式 ( 4) 可以简化为式 ( 7) 。 Iarray = I sc - Ido exp qV array nA k T c - 1 ( 7) 可以看出 , 式 ( 7) 是一个超越指数方程 , 无法用线性 方程表示 。而太阳能电池阵列的 I2V 特性是光伏系 照强度 和环境温度 T 。 统分析最重要的技术数据之一 , 所以建立合理而且 准确的物理模型是非常关键的 。式 ( 4 7 ) 中 , k 、 、 A 有 V oc 、 s 、 sh 和 I sco , 与外界环境相关的参数有光 n R R a 、 、t 、 co 均为常数 , 电池组件厂家提供的参数 b h T o 2 基于 PSIM 软件的光伏电池仿真模型 PSIM 是针对电力电子电路以及电力拖动而设 任碧莹等 : 基于 PSIM 软件的光伏电池特性的仿真建模研究 259 计的软件 。其中的器件基本都采用理想模型 , 计算 速度非常快 。虽然不能直接分析复杂的电力电子开 关过程 , 但是用户可建立自己的器件模型 , 给建模带 ( 来了很大的灵活性 。由式 ( 4 ) 、5 ) 和 ( 6 ) , 利用压控 流源等元件 , 在 PSIM 的仿真环境下建立的光伏电 池的仿真模型如图 4 所示 。A 点对应公式 ( 5 ) 得出 I sc , B 点对应由公式 ( 6 ) 得出的 Ido 的仿真电路 。 C 点对应公式 ( 4) 中的第二部分内容得出 Id 的仿真电 路 。通过电压传感器 V sensor 得出端电压 。图 4 中 , To 为绝对零度 273 K ; T 为外界温度 , 单位为 。 图4 基于物理机制的光伏阵列 PSIM 软件仿真模型 Fig. 4 PSIM simulation model of t he PV cell based on t he p hysic mechanism 5 是将仿真模型进行封装 , 建立的通用仿真 图 模型 。该模型内部封装了环境参数 和 T 、 电池组 件厂家提供的参数 V oc 、sco 、 sh 、 s , 用户使用该模 I R R 型 , 只需修改相关的参数即可 。 图5 电池组件仿真模型封装 Fig. 5 Package of t he PV cell simulatio n model 可以模拟外界条件变化对光伏电池特性的影响 。另 外此模型因为基于光伏阵列物理本质 , 并且模型参 数与实际参数严格对应 , 所以该模型具有准确反应 其物理特性并且仿真精度高等特点 。 3 仿真结果和实验数据 针对某一光伏电池组件 , 标准条件下 , 内部串联 电阻 R s = 0 . 24 , 内部并联电阻 R sh = 260 , 二极管 系数 A = 1 . 11 , 开路电压 V oc = 21 . 6V , 短路电流 I sc = 2 . 5A 。 对上述仿真模型在不同光照强度和温度条件下 进行了仿真 , 仿真结果以及相同条件下的实验测试 数据如表 1 和表 2 所示 。表中 I sc 是短路电流 , Iopt 是 最佳电流 , V oc 是开路电压 , V opt 是最佳电压 , Popt 是输 出最大功率 。 从图 5 可以看出 , T 发生变化时 , 该模型可以模 拟外界温度变化对光伏电池特性的影响 。光照强度 1k Rn 小 .当 电阻 R 越 大 时 , 样 会 导 致 最 大 功 率 点 越 同 是 标 准光照 强度 . 上 述方 程描述 了光 伏 电池 的 I 特 性 , 中参 V 式 数 来源 于 电池材 料 的物 理 特 性 .从 式 ( ) 以看 出 5可 短 路 电流与光 照 强度 成 正 比 , 同时 也受 到温 度 变 化 小 .当 R 以及 R 0 1Q 时 , ( ) 以简化为 式 ( ) . 式 4可 7. 的影响 .从式 ( ) 以看 出二 极 管 饱 和 电流 主 要受 6可 温 度 的影 响 , 与温 度 成 非线 性 关 系 .从 式 ( ) 4 可见 , 光伏 电池 输 出电流 与 输 出电 压之 间呈 非线 性 关 系 , 同时与光 照强 度 , 度 有很 大关 系 .由于 不 同 厂 家 温 L ( 厂1 ( 7 q= Vy ) 可 以看 出 , ( ) 一 个 超 越 指 数 方程 , 法 用 线 性 式 7是 无 生产 的光伏 电池 参 数 略 有不 同 , 时 当 内部 串联 电 同 阻R 和并 联 电阻 R. 发生 变 化 时 , 电池 特 性也 存 对 在一定 影 响 , 因此利 用 Malb分 析 R t a 和 R. 光伏 n 对 电池输 出特 性 的影 响 . 方程 表示 .而 太 阳能 电池 阵 列 的 IV特性 是光 伏 系 统分 析最 重要 的技 术 数 据 之 一 , 以建 立 合 理 而 且 所 准确 的物 理模 型是非 常关 键 的.式 ( 7 中 , , 4 ) 忌 A, n b , T. 为 常 数 , , h, 均 电池 组 件 厂家 提 供 的参数 有 V R , 和 . , 外界 环境 相关 的参数 有光 o, , R 与 . 照强度 和环 境温 度 T. 图 2是标 准条 件 下 ( T一2 , 一1 0 x , . 5 声 0 0 l) V. 一 2 . . . R 一0 2Q, . 2 0Q变 化 1 6V, 一2 5A, . R h 0 从 到无 穷大 的功率 一 电压 曲线 . 图 3是 R n Q, . 一2k R 从 0 0变 化到 2 0Q的功率 一 . . 电压 曲线 . 可 以看 出当 电阻 R 越 小 时 , 大 功率 点越 小 , 最 2 基 于 P I 软 件 的 光 伏 电池 仿 真 模 型 SM P I 是 针对 电力 虫子 电路 以及 电力 拖 动而 设 SM 维普资讯 任 碧 莹 等 : 于 P I 软 件 的光 伏 电 池 特 性 的 仿 真 建 模 研 究 基 SM 29 5 计 的软件 .其 中 的器 件 基 本都 采 用理 想 模 型 , 算 计 速度 非常快 .虽 然 不能直 接 分析 复杂 的 电力 电子开 关 过程 , 是用 户可 建立 自己的器 件模 型 , 但 给建 模带 来 了很 大 的灵活 性 . 由式 ( ) ( ) ( ) 利 用 压 控 4 ,5 和 6 , 流源 等元件 , P I 的仿 真 环 境 下 建 立 的光 伏 电 在 SM 池 的仿真 模 型如 图 4所 示 .A 点 对应 公 式 ( ) 出 5得 J B点 对 应 由公 式 ( ) 出 的 J 的仿 真 电 路 .C 6得 . 点对应 公 式 ( ) 4 中的第 二部 分 内容 得 出 的仿 真 电 路 .通 过 电压 传 感 器 V 得 出端 电压 .图 4中 , 为 绝对 零度 2 3K; 7 T为外界 温度 , 位为 . 单 图 4 基 于 物 理 机 制 的光 伏 阵列 P I 软 件 仿 真 模 型 SM Fi 4 PSI i ulton m ode ft e PV e l a e h g. M sm a i lo h cl b s d on t e phy i e h im sc m c an s 图 5是将 仿 真模 型进 行 封 装 , 立 的 通 用仿 真 建 模 型 .该 模 型内部 封 装 了环 境 参 数 声和 T, 电池 组 件厂 家提 供 的 参 数 J. R R. 用 户 使 用 该 模 , , , . 型, 只需修 改相 关 的参数 即可 . 可 以模 拟外 界条 件变 化对 光伏 电池 特性 的影 响 .另 外此 模 型 因为基 于 光 伏 阵列 物 理 本 质 , 且 模 型 参 并 数 与实 际参 数严 格 对应 , 以 该模 型具 有 准 确 反应 所 其 物理 特性 并且 仿真 精度 高 等特点 . 3 仿 真 结 果 和 实 验 数 据 园 L . 0 - - J , 针 对某一 光伏 电池 组 件 , 准条 件下 , 标 内部 串联 电阻 R 一0 2 f, . 4l 内部并 联 电 阻 R h 6 0, 极管 一2 0 ,二 系数 A一1 1 , . 1 开路 电压 V 1 6 短 路 电 流 J .一2 . V, 一 图 5 电池 组 件 仿 真 模 型封 装 2 A. .5 Fg5 akg fh V c1s u t nm dl i Pcae e e m li oe . ot P 1i ao 从 图 5可 以看 出 , T发 生 变化 时 , 模 型可 以模 该 拟外界 温度 变化 对光 伏 电池特 性 的影 响 .光 照 强度 声 S端) 生变 化时 , 模 型也 可 以模 拟 光 照强 度 变 ( 发 该 化 对光 伏 电池特 性 的影 响 .因此 , 仿 真模 型完 全 此 对 上 述仿 真模 型在 不 同光 照强度 和 温度条 件下 进行 了仿 真 , 真 结 果 以及相 同条 件 下 的实 验 测试 仿 数据 如 表 1和表 2所示 .表 中 J 是短 路 电流 ,o是 . . It p 最 佳 电流 , . 是开 路 电压 , 出最 大功 率 . 是 最佳 电压 , .是 输 P 表 1 温 度 不 变 (5 ) 照 强度 变 化 条 件 下 的 光 伏 电池 特 性 对 比 2 光 Ta . Th V e l h r c e itc c mp r t n a h a e p r t r ( 5 ) n i e e ts l ri t n i b1 e P c l c a a t rs i o a a i tt e s me t m e a u e 2 a d d f r n o a n e st o f y 光照 强 度 /x l 30 0 50 0 1 0 00 仿 真 结 果 I A / 1 .0 1 .5 2 .5 实 验 结果 V. V / 1 1 7. 1 9 7. 1 9 7. Ip A ot / 0. 85 12 . 2 .15 V./ V 2 5 0. 2 8 0. 2 6 1. P. W / 1 5 4. 21 .5 38 .5 I A / 1 .0 1 .5 2.5 I A ./ 0. 78 1 .22 2. 1 V / V 21 4 . 2 5 1. 21 3 . V. V / 1 9 7. 1 6 7. 1 8 7. P / W 1 0 4. 21. 5 37. 5 维普资讯 2O 6 如 西 安 理 工 大 学 学 报 ( 0 7 第 2 第 3期 2 0 ) 3卷 表 2 光照强度一定 (O 0x 时温度变化条件下的光伏 电池特性对 比 1 0 1) Ta . Th V elc a a t r t o a a in a h a r a ito 1 0 1 ) n i e e tt mp r t r b 2 e P c l h r c e i i c mp r to tt e s meir da in( 0 0 x a d d f r n e e a u e sc f 温强/ I/ . A 2 5 2 6 仿 真 结 果 / V V. / p V t P. W / I A / Ip/ otA 实 验 结 果 / V Vo / p V Po / p W lp/ o A t 2 由表 1 表 2可知仿 真结 果基 本上 和实 验数 据 和 吻合 .光 照 强度 的变 化对 最大 功率 P 对应 的电 .和 : O 6 9 模 型可 以应用 到 独立 光 伏 发 电 和 光伏 并 网系 统 中 , 以及 风 光互 补复合 发 电系统 中. 加 流 o有很 大 影 响 ,p t 电流 f 与光 照 强度 呈正 比例关 系; 开路 电压 随着 光照强 度 的变化发 生轻 微 的变化 ; ; 5 结 论 通 过基 于 物理 机 制 的光 伏 电池数 学 表 达式 , 针 对具 体光 伏 电池 阵列 , 论 了进行 简化 的前提 条件 . 讨 8 1 7 9 7 9 温度 变化 对开 路 电压 有 较 大 影 响 , 最 大 功 率 P 对 和对 应 的 电流 o也有 不 同程度 的影 响 . p t 4 仿 真 模 型 在 光 伏 发 电 系统 中的 应 用 O 5 2 同时 提 出了基 于 P I 软件 的仿 真模 型 .对 其模 拟 SM 结果 和实 验数据 对 比来看 , 于该 模 型 是 基 于物 理 由 将 通用 的模 块应 用于 光伏发 电 系统进行 动态 仿 2 3 2 2 5 6 本 质 , 型参 数 与实 际参数 严格 对应 , 以能够 准确 模 所 反映其 物 理特性 , 真精 度高 , 仿 同时也 证 明了该仿 真 模 型正 确性 和可 行 性 .该 模 型 能 够模 拟 外 界 环 境 , 其 结果 随光 照强 度 , 电池温 度等参 数 的变化 而变 化 , 因此该模