【《光伏电池的建模与仿真分析》2700字】

光伏电池的建模与仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u16106光伏电池的建模与仿真分析 1281021.1光伏电池模型 133061.1.1光伏电池数学模型 1152321.1.2光伏电池模型 377211.1.3仿真结果分析 4132151.2光伏电池最大功率点追踪控制 5247941.2.1最大功率点追踪控制原理 5241921.2.2最大功率点追踪模型 7110021.2.3仿真结果分析 8光伏电池模型光伏电池是以半导体的光生伏特效应为原理，将太阳能转化为电能的能量转换装置。为了方便仿真模拟，从理论上对现有策略进行优化，现需要对太阳能电池进行数学抽象，将模型抽象为具体的数学公式，方便系统的研究和仿真模拟。目前，对光伏电池的数学建模研究已较为深入，现采用应用范围最广，适用性最强的模型。光伏电池数学模型光伏电池的等效电路如图2-1所示。图2-1光伏电池等效电路—光生电流—二极管结电流—结电容，很小一般可忽略—串联电阻，阻值很小—并联电阻，组织很大根据电路原理可知：（2-1）——反向饱和电流——电子电荷（）——二极管因子——玻尔兹曼常数（）,——绝对温度（K）为方便理论计算需要做出近似，将式（2-1）进行简化：1、通常，很大，因此可以忽略。2、远小于二极管正向导通电阻，可知。同时，满足以下条件：1、在开路情况下，、；2、在最大功率点时，、。基于以上假设，令，，则式（2-1）可化为（2-2）、为待定系数，在最大功率点处有：（2-3）可以解得：（2-4）（2-5）其中、、、为给定已知参数，、为常数，通过带入式（2-2）即可得到光伏电池特性。当外界环境温度或光照强度变化时，须对以上四个参数进行重新计算，进而得到新的、。四个参数计算可由下式确定（2-6）（2-7）（2-8）（2-9）（2-10）（2-11）光伏电池模型根据以上公式，在Matlab/Simulink中建立如图2-2仿真模型。图2-2光伏电池数学模型仿真仿真模型主要包括两部分：1、电池参数的计算根据上述公式，可以得出，输入当前条件下的温度、辐照度以及由厂家提供的参数，以及特定系数a、b、c，代入公式（2-6）-（2-11），可以得到当前条件下的新的输出参数。2、光伏电池的方程由当前条件下得出的输出参数，代入公式（2-4）、(2-5)，得到待定系数C1、C2，以及输出的直流电压V，最后将上述参数代入公式（2-2），得到电池当前条件下的输出电流I。对图2-2所示模型进行封装得到如图2-3所示模型。由图可知，输入的参数为当前环境下的辐照度S和温度T（单位为℃），计算输出参数为电池电流I。电池的具体参数选取为、、、、，特定系数a、b、c分别取、、。标准值，。因此，通过该模块，可将光伏电池的输出电流转换为一个可控制的变量，通过自变量来控制其数值变化，得到相应的电池参数，实现多条件下电池的仿真模拟。仿真结果分析1、不同辐照度下光伏电池的P-V特性曲线图2-3不同辐照度下的P-V特性曲线可以看出随着输出电压V从0开始增大，输出功率P先缓慢增大到最大值后急速下降至0。而且通过观察可知，存在一个最大功率点Pm，该点对应且仅对应一个Vm，即功率时电压的单值函数，且该函数为单峰函数。且观察图像与坐标轴的焦点可知，随着辐照度的减小，开路电压Voc也会产生较大的减小。同时，由于辐照度的下降，最大功率点（MPP）也会相应减小。满足光伏电池特性。2、不同环境温度下光伏电池的P-V特性曲线图2-4不同温度下的P-V特性曲线由图2-4可以看出，25℃时，光伏电池有着最大的最大功率点，一旦当前条件下的环境温度的增大或减小，最大功率点Pm就会稍微减小，但总体变化程度很小。可以通过改变给定电池参数、温度、辐照度，使得光伏电池输出特性曲线发生变化，从而达到预期目标。光伏电池最大功率点追踪控制最大功率点追踪控制原理由图2-3的光伏电池P-V特性曲线可知，在光伏电池P-V图中，有且仅有一个最大功率点Pm，且该功率点对应的电池端电压为Vm。而且经过分析，随着辐照度的减小，开路电压Voc也会产生较大的减小，进而导致整个系统输出波形的不稳。降低光伏系统的资源利用效率。为此，必须采用MPPT技术，使得光伏电池能在任意给定条件下，自发地达到当前条件下的最大输出功率，并保持稳定。最大功率点追踪技术实质上来说就是一个自寻优的过程，能够使得光伏系统始终工作在最大输出功率点附近。MPPT技术常用的方法有定电压法、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法等。扰动观测法，实质就是给当前电压一个微小的扰动量进行扰动，使其功率向不同的方向改变，通过对比前后时刻输出功率的变化，即可判断出扰动方向的正确与否。之后再进行相应的扰动：当光伏电池输出功率按照变大的趋势増长时，保持扰动方向；当输出功率按照减小的趋势变化时，改变扰动方向。经过持续一段时间的搜索，最终保证系统输出最大功率。工作过程如下所示[14]：（１）假定步长，在原有的电压基础上加上扰动步长，若，系统应当继续保持扰动方向，即在增加的基础上继续增加扰动，直到到达最大功率点附近。（２）假定步长，在原有的电压基础上加上扰动步长，若，系统应当立即改变扰动方向，即在增加的基础上立即减小扰动，直到到达最大功率点附近。（３）假定步长，在原有的电压基础上减去扰动步长，若，系统应当继续保持扰动方向，即在增加的基础上继续增加扰动，直到到达最大功率点附近。（４）假定步长，在原有的电压基础上减去扰动步长，若，系统应当立即改变扰动方向，即在增加的基础上立即减小扰动，直到到达最大功率点附近。扰动观测法的流程图如图2-5所示。图2-5扰动观测法流程图最大功率点追踪模型如图2-6，通过采集当前系统的电压、电流，并判断当条体下的ΔP和ΔU，如果二者同号，则输出为1，如果二者异号则输出为-1。该功能可以通过符号函数来实现，如果是正则该模块输出1，如果是负则该模块输出-1。该仿真模型中三个保持器模块的采样周期一般取0.001。该模块的输出项为参考电压Vref。图2-6最大功率点追踪技术仿真模型得到的电压指令值与三角波发生器产生的三角波进行比较之后，产生开启关断信号，来控制开关的通断，通过开关的通断产生PWM波，将PWM波作为输出，送往下一环节。如下图2-7所示。图2-7PWM调制仿真控制模型仿真结果分析光伏系统模型如下图2-8所示。通过输入当前环境温度和辐照度，输出电流值，采集电压值作为负反馈，使得电池能够依据环境条件变化而改变电压、电流值，最后加入Boost升压电路和MPPT技术，得到光伏电池系统模型。图2-8光伏系统仿真模型光伏系统的输出功率波形如下图2-9所示，仿真时，采用多组光伏电池串并联的方式，来扩大其输出功率。图2-9输出功率波形0.3s前采用辐照度，此时可对应现实中的晴天，此时光伏系统的输出功率为2000W。0.3s后辐照度