基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究.docx
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基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究
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西安理工大学学报JournalofXi’UniversityofTechnology（2007）Vol.23No.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
ResearchonSimulationModelofPVCellBasedonPSIMSoftware
RENBi2ying,ZHONGYan2ru,SUNXiang2dong,TONGXiang2qian
（FacultyofAutomationandInformationEngineering,Xi’UniversityofTechnology,Xi’710048,China）anan
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:
Inthispaper,mathmodelisstudiedbasedonphysicstheoryofPVcell,andtheinflu2enceofseriesresistorRsandparallelresistorRshonPVcellcharacteristicisanalyzed.ByusingPVcellcharacteristicmathexpression,simulationmodelisproposedbasedonPSIM,andthenPVcellcharacteristiccurvesarepresentedwithlightintensityandtemperaturechange.Bythecontrastofthesimulationresultswithexperimentdateresults,itisvalidatedthatsimulationmodelisrightandfeasible,andthatitcanbeusedinPVsystemtorealizethedynamicsimula2tion.Keywords:
PVcell;mathmodel;PSIMsoftware;characteristiccurves
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 Single2PVcellunitequivalentcircuit
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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=Isc-Id-Ish
（1）
其中Iarray是光伏电池输出电流,Isc是短路电流,Id是流过二极管的电流,Ish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=Idoexpq（Varray+RsIarray）nAkTcVarray+RsIarrayRsh-1
（2）（3）Ish=Iarray=Isc-Idoexpq（Varray+RsIarray）nAkTc-
式中Tc是电池内部绝对温度,Varray是光伏电池输出电压,Ido是二极管饱和电流,Rsh是内部并联电阻,Rs是内部串联电阻,q是电子电荷,为1.602×
10-19C,A是二极管系数,通常为1.0～3.0,k是波
图2 并联电阻Rsh对最大功率的影响Fig.2 ParallelresistanteffectontheMPPT
尔兹曼常数,k=1.38058×-23J,n是多个电池串10联系数。
综合式
（1）～（3）可得式（4）:
1
-
Varray+RsIarrayRsh
（4）（5）（6）
式中Isco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,<10o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Rs和并联电阻Rsh发生变化时,对电池特性也存在一定影响,因此利用Matlab分析Rs和Rsh对光伏电池输出特性的影响。
图2是标准条件下（T=25℃,<=1000lx）,Voc=21.6V,Isc=2.5A,Rs=0.2Ω,Rsh从200Ω变化到无穷大的功率2电压曲线。
图3是Rsh=2kΩ,Rs从0.0变化到2.0Ω的功率2电压曲线。
可以看出当电阻Rsh越小时,最大功率点越小,
Ido=bTcexp
3
-aTc
图3 串联电阻Rs对最大功率的影响Fig.3 SeriesresistanteffectontheMPPT
当Rsh>1kΩ时,Rsh的变化对最大功率点的影响很小。
当电阻Rs越大时,同样会导致最大功率点越小。
当Rs<0.1Ω时,Rs的变化对最大功率点的影响也很小。
因此,对于该参数条件下,当Rsh>1kΩ以及Rs<0.1Ω时,式（4）可以简化为式（7）。
Iarray=Isc-IdoexpqVarraynAkTc-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Voc、、s、sh和Isco,与外界环境相关的参数有光nRR
a、、、t、co均为常数,电池组件厂家提供的参数b2 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
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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Isc,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Vsensor得出端电压。
图4中,To为绝对零度273K;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 PSIMsimulationmodelofthePVcellbasedonthephysicmechanism
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Voc、sco、sh、s,用户使用该模IRR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 PackageofthePVcellsimulationmodel
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Rs=0.24Ω,内部并联电阻Rsh=260Ω,二极管系数A=1.11,开路电压Voc=21.6V,短路电流Isc=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Isc是短路电流,Iopt是最佳电流,Voc是开路电压,Vopt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<（S端）发生变化时,该模型也可以模拟光照强度变化对光伏电池特性的影响。
因此,此仿真模型完全
光照强度/lx
300500
Isc/AIopt/A
）表1 温度不变（25℃光照强度变化条件下的光伏电池特性对比）Tab.1 ThePVcellcharacteristiccomparationatthesametemperature（25℃anddifferentsolarintensity
仿真结果Voc/VVopt/V
20.520.821.617.117.917.9
Popt/W
Isc/A
Iopt/A
实验结果Voc/VVopt/V
21.421.521.317.917.617.8
Popt/W
1.01.52.5
0.851.22.15
14.521.538.5
1.01.52.5
0.781.222.1
14.021.537.5
1000
260
西安理工大学学报（2007）第23卷第3期 表2 光照强度一定（1000lx）时温度变化条件下的光伏电池特性对比Tab.2 ThePVcellcharacteristiccomparationatthesameirradiation（1000lx）anddifferenttemperature
温强/℃
15.52530.3
Isc/A
Iopt/A
仿真结果Voc/V
22.021.620.9
Vopt/V
Popt/W
Isc/A
Iopt/A
实验结果Voc/VVopt/V
22.521.120.517.817.517.7
Popt/W
2.352.52.6
2.12.152.25
18.117.917.9
38.038.540.2
2.32.52.6
2.052.12.2
36.536.839.0
由表1和表2可知仿真结果基本上和实验数据吻合。
光照强度的变化对最大功率Popt和对应的电流Iopt有很大影响,电流Iopt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;温度变化对开路电压有较大影响,对最大功率Popt和对应的电流Iopt也有不同程度的影响。
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。
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,讨论了进行简化的前提条件。
同时提出了基于PSIM软件的仿真模型。
对其模拟结果和实验数据对比来看,由于该模型是基于物理本质,模型参数与实际参数严格对应,所以能够准确反映其物理特性,仿真精度高,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,因此该模型的建立对于模拟实时动态跟踪最大功率点,以及为光伏发电系统的研发提供了良好的仿真平台。
参考文献:
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105521065.（责任编辑 王卫勋）
4 仿真模型在光伏发电系统中的应用
将通用的模块应用于光伏发电系统进行动态仿真。
图6中,系统的输入电源为本文所建的通用仿真模块,后级是光伏发电系统中的斩波电路,控制电路实现最大功率点跟踪。
其中Perturb.dll控件是使用VC编程实现最大功率算法生成的动态连接库。
图7为光伏发电系统输出功率随太阳光照变化而变化的波形。
0.7s和0.9s时,光照强度分别在从800lx到1000lx和1200lx,电池输出功率也相应地在对应光照下的最大功率点输出。
图6 仿真模型在光伏发电系统中的应用Fig.6 ThesimulationmodelappliedinthePVgenerationsystem
图7 光照变化下的电池最大功率跟踪Fig.7 ThePVcelltracedtheMPPTwhenthesolarintensityvariation
可以看出,该模型可以直观地模拟外界环境,能够应用它来提供验证相关的光伏发电系统中的最大功率点算法的平台,实现最大功率输出。
也可验证相关的控制电路的可行性和相关算法的正确性。
该
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西安理工大学学报Junlfiaiesyoehooy20）V12o3orao'nUnvrifcnlg（O7o.3N.XtT
文章编号:
10—7020）305—40641（070—270
275
基于PI软件的光伏电池特性的仿真建模研究SM
任碧莹,彦儒,孙向东,同向前钟
（安理工大学自动化与信息工程学院,西西安704）西陕108
摘要:
对光伏电池研究了基于物理机制的数学模型,析了串联电阻和并联电阻对光伏电池特针分性的影响.利用光伏电池特性数学表达式,出了基于PI软件的仿真模型,出了光照强度和提SM给
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,真模型正确且可行,仿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;学模型;PI软件;性曲线数SM特
中图分类号:
TM651文献标识码:
A
ReerhoiuainMoefPVlBaenPSMotrsacnSmltodloCelsdoISfwae
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