光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真焦阳概要.docx

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光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真焦阳概要

第34卷第11期2010年11月电网技术PowerSystemTechnologyVol.34No.11

Nov.2010

文章编号：

1000-3673（2010）11-0198-05中图分类号：

TM61文献标志码：

A学科代码：

470·4047

光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真

焦阳，宋强，刘文华

（电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系），北京市海淀区100084）

PracticalSimulationModelofPhotovoltaicCellsinPhotovoltaic

GenerationSystemandSimulation

JIAOYang,SONGQiang,LIUWenhua

（StateKeyLabofControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipments（Dept.ofElectricalEngineering,

TsinghuaUniversity）,HaidianDistrict,Beijing100084,China）ABSTRACT:

Afeasiblemethodofmodelingthephotovoltaic（PV）cellssuitableforengineeringsimulationapplicationispresentedbasedonthevoltage-currentcharacteristicofPVcells.FourstandardpropertyparametersareemployedtoshapetheoutputcurveofPVcellsinthismodel,andtheparameterscanberevisedaccordingtothedifferenttemperatureandsolarradiationconditionunderdifferentenvironmenttoobtainanaccurateoutputcharacteristicofPVcells.ThenthismodelisappliedtosimulatedifferenttypeofPVcells,anditsefficiencyisverifiedbythefactthatsimulationresultsmatchperfectlywithexperimentalresultsprovidedbythePVcellmanufacturer.Finallyaphotovoltaicgenerationsystemwithmaximumpowerpointtracking（MPPT）controlisconstructedwithsimulationsoftwarePSCAD/EMTDC,andthestaticandtransientsimulationresultsdemonstratetheeffectivenessofabovemodellingmethod.

KEYWORDS:

photovoltaic（PV）cell;physicalmodel;environmentalcorrection;voltage-currentcharacteristic;maximumpowerpointtracking（MPPT）

摘要：

以光伏电池输出特性为基础，给出了一种适合工程应用的行为仿真模型。

该模型通过光伏电池的4个标准性能参数拟合出电池输出外特性，通过引入环境条件修正可以得到不同光强及温度下的性能参数以及较为准确的输出特性。

采用该方法对不同类型的光伏电池进行建模，将仿真结果与实测结果进行对比，验证了模型的准确性。

在仿真环境PSCAD/EMTDC中建立采用最大功率跟踪控制策略的光伏并网发电系统，验证了该模型的静态及动态仿真效果。

关键词：

光伏电池；行为模型；环境修正；伏安特性；最大功率跟踪

不可替代的优势。

光伏发电设备也成为电力系统及新能源发电领域的研究重点，光伏电池也倍受重视。

然而昂贵的造价及精密的特性使得光伏电池在实际应用中受到了许多限制[1]。

仿真分析成为光伏发电系统设计与分析的有效手段，因此需要建立准确且实用的光伏电池行为模型。

目前光伏电池的仿真建模手段主要有2类[2]。

1）物理模型是以电池等效电路为基础，基于光伏器件半导体特性及物理本质建立的。

该方法采用受控电流源反并联二极管以及电阻的结构模拟光伏电池内部的光生电源及反向电流。

准确度较高，可真实反映电池在不同环境下的输出特性，如果采用详细且准确的半导体特性参数建模，该模型的仿真精度很高；但模型中涉及光伏半导体的光生电流、反向暗电流、PN结系数、禁带宽度能量等半导体参数[3-4]，这些参数与电池的电路外特性参数没有对应关系，通过实际测量难以获取，如PN结系数这样的半导体特性参数还与实际产品特性及环境因素有关，通常只有一定的取值范围。

这些因素在很大程度上影响了物理模型的精确性，使得物理模型对实际电池的模拟存在较大局限性，也限制了其在实际工程以及仿真研究中的应用。

2）行为模型（或称仿真模型）根据电池外特性拟合出相应的电压与电流关系曲线，该方法未对电池物理本质进行描述，而是模拟电池外部特性。

建模时根据电池的短路电流及开路电压等实测参数构建出电池输出特性表达式[5-6]，通过物理模型的数学函数来拟合电池输出特性。

本文针对光伏电池的行为建模方法，提出了一种根据环境变化修正性能参数的方法，使得行为模

0引言

在当今能源与环境问题突出的背景下，光伏发电以其清洁、环保等诸多特点在新能源领域显现出

第34卷第11期电网技术199

型简单实用且精度较高，可以根据光伏电池在标准条件下的4个性能参数拟合出不同环境下的输出特性。

通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对该模型进行仿真，采用最大功率跟踪控制验证了不同环境下光伏电池的动态输出特性及该模型的系统级仿真性能。

1.3根据环境修正性能参数的行为模型

针对上述物理模型以及基于输出特性修正的行为模型存在的缺陷，本文提出一种采用性能参数修正法建立的行为模型。

在环境条件发生变化时，该方法直接对电池的4个性能参数进行修正，将不同温度及光照条件下电池参数变化曲线与环境变化趋势进行拟合[11-12]，得到式（7）、（8）所示的电流修正系数ΔI及电压修正系数ΔU，将这2个修正系数代入式（9）、（10）就可将标准条件下的4个性能参数

′、Uoc′、Im′。

′、Um转化为实际条件下的性能参数Isc

最后将实际条件下的4个性能参数代入式

（1）—（3）就得到了任意条件下的光伏电池输出特性，其中a2与c为温度补偿系数，b2为光强补偿系数。

这些系数可以根据实测数据与仿真结果的对比进行相应调整，以得到不同性能电池的输出特性。

根据电池材料、制作工艺等特性的不同，这些补偿系数可以在一定范围内变化，以灵活适应不同种类的电池。

SΔI=[1+a2（t−tref）]（7）

Sref

ΔU=[1−c（t−tref）]ln[e+b2（S−Sref）]（8）

′=IscΔI⎧Isc

（9）⎨

′I=IΔI⎩mm

′=IocΔU⎧Uoc

（10）⎨

′UUU=Δ⎩mm采用环境修正法得到的功能行为模型不需要物理模型中复杂的参数，只需厂家提供的4个基本性能参数就可实现光伏电池输出特性仿真。

这种建模方法在保持仿真精度的前提下更加简便灵活，适合工程应用。

由于直接根据环境变化对电池的性能参数进行修正，该方法可以获得不同温度及光照下的电池特性参数，更有利于对比仿真及实验的结果。

对不同光伏电池进行仿真时还可通过调整温度及光照补偿系数来改变电池输出特性。

不同的补偿系数可模拟不同电池的特性，增强了仿真的灵活性及模型的扩展性，满足了不同的仿真需要。

1光伏电池行为模型建模方法

1.1拟合光伏电池基本输出特性的行为模型

行为模型的特点是采用简单且易获取的参数拟合出光伏电池的输出特性，适用于对电池外部特性进行的仿真研究。

在实际应用中，电池厂商会提供标准环境下电池的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率电压Um和最大功率电流Im这4个参数。

这4个参数与电池输出特性曲线有紧密的对应关系，以此为基础构造的数学表达式即可模拟出与实际输出特性类似的U-I曲线。

根据光伏半导体器件的电压–电流关系可以得到基本输出特性公式[7-8]：

I=Isc[1−C1（eU/（C2Uoc）−1）]

（1）C1=（1−Im/Isc）e−Um/（C2Uoc）

（2）C2=（Um/Uoc−1）[ln（1−Im/Isc）]−1（3）

式中：

U、I为电池输出电压与电流；C1与C2为修正系数。

1.2根据环境修正输出特性的行为模型

为得到不同温度及光强下输出特性的变化，需要对上述基本模型进行修正。

较常见的方法是根据环境变化对电池输出电压及电流进行修正。

该方法通过引入式（4）、（5）中的电流修正量dI及电压修正量dU，在式

（1）基础上得到如式（6）所示的根据实际环境变化的电压–电流关系，即

SS

dI=Isc[a1（t−tref）+（−1）]（4）

SrefSref

[9-10]

dU=−bU1oc（t−tref）（5）

式中：

Sref与tref分别为标准条件下的光强与温度；S与t为实际光强与温度；a1与b1为补偿系数。

I=Isc[1−C1（e（U−dU）/（C2Uoc）−1）]+dI（6）

2修正性能参数的行为模型验证

采用本文提出的建模方法分别对多晶硅、单晶硅及非晶薄膜材料的实际光伏电池进行仿真。

通过将Matlab计算得到的不同环境下的输出特性曲线与厂家提供的实测结果进行对比，能够有效验证该模型的准确性。

表1为光强为1kW/m2，温度为

与物理模型相比，根据环境变化修正输出特性的行为模型较为简单实用，但该模型只针对输出特性进行修正，未给出不同环境下光伏电池的基本性能参数。

仿真与实验中均希望得到不同环境下的4个性能参数用于判断模型的准确性，因此该模型在应用中具有一些局限性。

25℃时3种实际光伏电池的标准性能参数[13-15]。

200焦阳等：

光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真

表13种实际光伏电池的参数

Tab.1ParametersofthreesetsofPVcells

型号

类型

Uoc/V

Isc/A

Um/V

Im/A

Vol.34No.11

性能参数/pu

1.41.21.00.80.6−50

温度/℃

实测曲线。

Pm50100

IscUoc

STP260STP175SSTP180TS

多晶硅44.08.0934.87.47单晶硅44.75.2335.84.90非晶硅187.61.50146.41.23

图1—3分别为3种不同材料的光伏电池的仿真结果与实测结果对比验证，图中显示了光伏电池在不同光强下的“U-I”及“U-P”曲线。

可以看出，光强变化时，3种电池的实测输出特性曲线均与行为模型得到的结果较好地吻合。

图4不同温度下多晶硅电池仿真结果与实测结果对比

Fig.4Comparisonofsimulationresultswithexperimentresultsofpolycrystallineunderdifferenttemperature

通过图1—4的对比结果可以看出，根据环境

270

功率/W210150

电流/A

86420

0.8kW/m20.6kW/m2U-I曲线U-P曲线

变化修正性能参数的行为模型可较好地模拟3种材料的电池在不同环境条件下的输出特性。

仿真结果与实测结果误差较小。

本文中补偿系数的取值为：

a2=0.0008，b2=0.2，c=0.005。

在实际应用中，可以通过调节相应的环境补偿系数进一步减小误差，提高模型精度。

以上结果验证了本文提出的行为模型对不同类型的电池具有普遍适用性。

该模型还给出

90

电压/V

30

实测曲线。

图1不同光强下多晶硅电池仿真结果与实测结果对比

Fig.1Comparisonofsimulationresultswithexperimentresultsofpolycrystallineunderdifferentillumination

了不同环境条件下对应的性能参数，因此可以在仿真中用于对光伏系统进行设计和验证。

电流/A

6420

1kW/m20.8kW/m20.6kW/m2U-I曲线

U-P曲线

1801509060

功率/W120

3光伏发电系统模型的仿真分析

3.1光伏电池的仿真建模及输出特性

为表明本文提出的模型可以满足光伏发电系统的仿真需要，在PSCAD/EMTDC软件中对上述

51525

电压/V

300

3545

STP260型多晶硅光伏电池进行仿真；并构建光伏并网发电系统，通过最大功率跟踪（maximumpower

实测曲线。

图2不同光强下单晶硅电池仿真结果与实测结果对比

Fig.2Comparisonofsimulationresultswithexperimentresultsofmonocrystallineunderdifferentillumination

pointtracking，MPPT）控制验证了电池模型及系统模型的有效性。

在仿真软件PSCAD中建立自定义模块，通过

电流/A

1.61.2

800W/m2U曲线600W/m2

U-

2001601208040

功率/W

Fortran语言编程实现上述行为模型。

模块输入量为标准条件下的性能参数、环境条件以及电池端电压。

根据式

（1）—（10）计算电池电流作为模块输出量，用该输出量控制受控电流源即得到了完整的电池模型。

在PSCAD中用X-Y相图功能对电池在不同环境下带不同负载的输出特性进行仿真，得到如图

0.80.40.0

04080120160

电压/V

实测曲线。

2

200

图3不同光强下非晶硅电池仿真结果与实测结果对比Fig.3Comparisonofsimulationresultswithexperimentresultsofamorphoussiliconunderdifferentillumination

5所示曲线。

通过PSCAD得到的不同光强及温度下的电池U-I及U-P曲线与实测结果也基本一致，表明该模型可用于仿真研究。

3.2光伏电池最大功率跟踪控制方法

由U-P曲线可以看出，环境不变时光伏电池具有最大功率点，该功率点会随光照和温度等因素变化。

为提高能量转化效率，需采用适当的最大功率跟踪算法控制光伏系统，保证光伏电池始终运行在最大功率点[16]。

图4为不同温度下多晶硅电池的仿真结果与实测结果对比。

实线与虚线分别为电池特性参数随温度变化的实测曲线及仿真结果。

在−25~60℃范围内，根据环境修正得到的性能参数与实测结果之间的误差不超过5%，该范围涵盖了绝大部分光伏电池工作温度，误差也满足工程仿真需要。

第34卷第11期电网技术201

电流/A

电流/A

于光伏发电系统仿真，为此在PSCAD中建立光伏发电系统模型，如图7所示。

0201030

4050

电压/V电压/V

功率/

W

（a）不同光强下电压–电流曲线

功率/W

（b）不同温度下电压–电流曲线

103040

5002010304050020

电压/V电压/V

（c）不同光强下电压–功率曲线（d）不同温度下电压–功率曲线

图7光伏发电系统行为模型

Fig.7SimulationmodelofPVgenerationsystem

图5PSCAD仿真得到的光伏电池输出特性

Fig.5OutputcurvesofPVcellbyPSCADsimulation

图7模型为单相2级式工频隔离光伏并网发电系

统。

直流斩波器采用电压反馈比例积分

MPPT控制手段通过改变电池外部负载特性使其工作在最大功率点附近。

本文结合常用的固定电压法及扰动观察法[17-18]实现最大功率跟踪。

根据电池在不同环境条件下最大功率点所对应的工作电压变化不大这一性质，当工作点远离最大功率点时，控制光伏电池输出电压为标准条件下最大功率电压Um。

在工作点接近最大功率点时再采用扰动观察法，使工作电压逐渐接近最大功率电压。

该算法同样使用PSCAD中自定义模块的Fortran语言编程实现。

输入量为电池电压与电流，输出量为控制器电压参考值Uref，具体控制流程如图6所示。

图中Uk，Ik及Pk分别表示k时刻的电池电压、电流及输出功率；k−1时刻的各电量依此类推；ΔU为电压扰动量。

（proportionalintegral，PI）控制实现MPPT功能。

逆变器采用电流反馈

PI控制实现直流电压稳定及逆变功能[19]，逆变器输出经工频隔离及滤波后并网，通过不同环境下的系统动态响应验证了光伏电池模型特性及MPPT控制效果。

温度保持25℃不变时，将光强从标准状态下的1kW/m2增至1.1kW/m2，得到仿真波形如图8所示。

2种不同光照条件下的输出功率分别稳定在

259W及287W左右，均接近该环境下的理论最大输出功率，电压与电流也在最大功率点附近波动。

这些波动是由MPPT控制采用扰动观察法导致的，从参考电压波形可以看出MPPT控制算法始终通过扰动电池输出电压寻找最大功率点。

对于光伏并网发电系统的仿真结果证明了基于性能参数的环境修正电池模型能够较好地模拟实际电池在不同环境下的输出特性，满足光伏发电系统的仿真要求。

I/A

8.68.27.87.4

0.604

363534

33

0.6040.6120.608

t/s

（b）电池电压

0.608

t/s

（a）电池电流

0.612

Uref/V

34.834.434.033.60.604

U/V

P/W

290

270

0.608t/s

（c）参考电压

0.612

250

0.6040.6120.608

t/s

（d）电池功率

图6改进扰动观察法控制流程

Fig.6Flowdiagramofimprovedperturbation&

observationmethod

3.3光伏发电系统仿真验证

本文提出光伏电池实用模型的目的是将其用

图8光强变化时的光伏发电系统仿真波形

Fig.8Simulationresultsonsolarradiationvariation

202焦阳等：

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4结论

1）光伏电池的物理建模方法需要涉及电池内部半导体特性，所需参数难以获取，因此不适合工程实际应用。

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