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1、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 Power System Technology Vol. 34 No. 11Nov. 2010文章编号：1000-3673（2010）11-0198-05 中图分类号：TM 61 文献标志码：A 学科代码：4704047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）Practical Simulation Model of Photovoltaic Cells in PhotovoltaicG

2、eneration System and SimulationJIAO Yang, SONG Qiang, LIU Wenhua(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering,Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: A feasible method of modeling the photovoltaic

3、 (PV) cells suitable for engineering simulation application is presented based on the voltage-current characteristic of PV cells. Four standard property parameters are employed to shape the output curve of PV cells in this model, and the parameters can be revised according to the different temperatu

4、re and solar radiation condition under different environment to obtain an accurate output characteristic of PV cells. Then this model is applied to simulate different type of PV cells, and its efficiency is verified by the fact that simulation results match perfectly with experimental results provid

5、ed by the PV cell manufacturer. Finally a photovoltaic generation system with maximum power point tracking (MPPT) control is constructed with simulation software PSCAD/EMTDC, and the static and transient simulation results demonstrate the effectiveness of above modelling method.KEY WORDS: photovolta

6、ic (PV) cell; physical model; environmental correction; voltage-current characteristic; maximum power point tracking (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

7、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

8、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

9、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

10、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I及电压修正系数U，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

11、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。SI=1+a2(ttref) (7)SrefU=1c(ttref)lne+b2(SSref) (8)=IscIIsc(9) I=IImm=IocUUoc(10) UUU=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

12、。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

13、电流关系可以得到基本输出特性公式7-8：I=Isc1C1(eU/(C2Uoc)1) (1) C1=(1Im/Isc)eUm/(C2Uoc) (2) C2=(Um/Uoc1)ln(1Im/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SSdI=Isca1(ttref)+(1)

14、(4)SrefSref9-10dU=bU1oc(ttref) (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=Isc1C1(e(UdU)/(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1 kW/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

15、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1 3种实际光伏电池的参数Tab. 1 Parameters of three sets of PV cells型号类型Uoc/VIsc/AUm/VIm/AVol. 34 No. 11性能参数/pu1.41.21.00.80.650温度/实测曲线。Pm50 100Isc UocSTP260 STP175S STP180TS多晶硅 44.0 8.09 34.8 7.47

16、 单晶硅 44.7 5.23 35.8 4.90 非晶硅 187.6 1.50 146.4 1.23图13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. 4 Comparison of simulation results with experiment results of polycrystalline under different temperature通过图14的对比结果可以看

17、出，根据环境270功率/W 210150电流/A8 6 4 2 00.8 kW/m2 0.6 kW/m2 U-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=0.000 8，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/V30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. 1 Comparison of simulation r

18、esults with experiment results of polycrystalline under different illumination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/A6 4 2 01 kW/m2 0.8 kW/m2 0.6 kW/m2U-I曲线U-P曲线1801509060功率/W 1203 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5 15 25电压/V30035 45STP260型多晶硅光伏电池进行仿真；并构

19、建光伏并网发电系统，通过最大功率跟踪(maximum power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. 2 Comparison of simulation results with experiment results of monocrystalline under different illuminationpoint tracking，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/A1.6 1.2800 W/m2 U曲线 600 W/m2U-2001601208040功率/WFortran语言编程实现上述行为

20、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0.8 0.4 0.00 40 80 120 160电压/V实测曲线。2200图3 不同光强下非晶硅电池仿真结果与实测结果对比 Fig. 3 Comparison of simulation results with experiment results of amorphous silicon under different illumination

21、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2560 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。

22、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。0 20 10 304050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10 3040500 20 10 30 40 50 0 20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. 7 Simulation model of PV generation system图5 PSCAD仿真得到的光伏电池输出特性Fig. 5 Output curves of

23、 PV cell by PSCAD simulation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Ure

24、f，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；k1时刻的各电量依此类推；U为电压扰动量。(proportional integral，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1 kW/m2增至1.1 kW/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259 W及287 W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

25、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/A8.68.27.87.40.60436 35 34330.604 0.6120.608t/s(b) 电池电压0.608t/s(a) 电池电流0.612Uref/V34.834.434.033.60.604U/VP/W2902700.608t/s(c) 参考电压0.6122500.604 0.6120.608t/s(d) 电

26、池功率图6 改进扰动观察法控制流程Fig. 6 Flow diagram of improved perturbation &observation method3.3 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. 8 Simulation results on solar radiation variation202 焦阳等：光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真 Vol. 34 No. 114 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。for photovoltaic ar

27、ray with MPPT functionJJournal of System Simulation，2005，17(5)：1248-1251(in Chinese)9 Baltas PThe Arizona university photovoltaic designer programRDepartment of Electrical and Computer Engineering：Arizona State University，199610 Yushaizad Y，Sitih S，Muhammad A L，et alModeling and simulationof maximum

28、 power point tracker for photovoltaic system JNational Power & Energy Conference，2004 (29-30)：88-9311 Singer S，Bozenshtein B，Surazi SCharacterization of PV arrayoutput using a small number of measured parametersJSolar Energy，1984，32(5)：603-60712 苏建徽，余世杰硅太阳电池工程用数学模型J太阳能学报2001，22(4)：409-412Su Jianhui，

29、Yu ShijieModel of silicon solar cellsJActa Energiae Solaris Sinica，2001，22(4)：409-412(in Chinese)13 尚德太阳能电力有限公司270瓦多晶硅太阳能组件STP260-24/Vd数据手册EB/OL无锡：尚德太阳能电力有限公司，20102010-08-01http:/old.suntech- datasheets/CN/stp280_24vd_cn_no1.pdf14 尚德太阳能电力有限公司185瓦单晶硅太阳能组件STP185S-24/Ad数据手册EB/OL无锡：尚德太阳能电力有限公司，20102010-

30、08-01http:/www.suntech- August24/CN/ STP185s_24_Ad_CN.pdf15 尚德太阳能电力有限公司180瓦非晶薄膜太阳能组件STP185TS-BA数据手册EB/OL无锡：尚德太阳能电力有限公司，20102010-08-01http:/old.suntech- 180Ts-BA.pdf16 刘邦银，段善旭基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪J电工技术学报，2009，24(6)：91-94Liu Bangyin，Duan ShanxuPhotovoltaic array maximum power point tracking based on improved perturbation and observation methodJTransactions of China Electro Technical Society，2009，24(6)：91-94 (in Chinese)17 栗秋华，周林光伏并网发电系统最大功率跟踪新算法及其仿真J电力自动化设备，2008，28(7)：21-24Li Qiuhua，Zhou LinSimulative research of MPPT for photovoltaic power system JElectric Power Automation Equipment，2008，2