基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究.docx

1、基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究.txt爱情就像脚上的鞋，只有失去的时候才知道赤脚走路是什么滋味骗人有风险，说慌要谨慎。不要爱上年纪小的男人，他会把你当成爱情学校，一旦学徒圆满，便会义无反顾地离开你。 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

2、 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

3、: 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

4、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

5、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 o

6、f 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

7、 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

8、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

9、 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

10、 ( 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

11、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

12、( 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

13、 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 arr

14、ay 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

15、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

16、 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

17、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

18、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 ( 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 300 500 I sc / A Iopt / 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 The PV cell characteristic co

19、mparatio n at t he same temperat ure ( 25 and different solar intensity 仿真结果 V oc / V V opt / V 20. 5 20. 8 21. 6 17. 1 17. 9 17. 9 Popt / W I sc / A Iopt / A 实验结果 V oc / V V opt / V 21. 4 21. 5 21. 3 17. 9 17. 6 17. 8 Popt / W 1. 0 1. 5 2. 5 0. 85 1. 2 2. 15 14. 5 21. 5 38. 5 1. 0 1. 5 2. 5 0. 78 1

20、. 22 2. 1 14. 0 21. 5 37. 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 The PV cell characteristic comparation at t he same irradiation (1000lx) and different temperat ure 温强/ 15. 5 25 30. 3 I sc / A Iopt / A 仿真结果 V oc / V 22. 0 21. 6 20. 9 V opt / V Popt / W I

21、 sc / A Iopt / A 实验结果 V oc / V V opt / V 22. 5 21. 1 20. 5 17. 8 17. 5 17. 7 Popt / W 2. 35 2. 5 2. 6 2. 1 2. 15 2. 25 18. 1 17. 9 17. 9 38. 0 38. 5 40. 2 2. 3 2. 5 2. 6 2. 05 2. 1 2. 2 36. 5 36. 8 39. 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

22、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

23、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 : 1 赵为 ( Zhao Wei) . 太阳能光伏并网发电系统的研究 ( Re2 search on Grid2Connected Photovoltaic System) D . 合 肥 : 合肥工业大学 ( Hefei : Hefei U niversity of Technolo2 gy) ,2003. 2 沈辉 ( Shen Hui) . 太阳能光伏发电技术 ( The Technolo2 gyof PV Generation Sy

24、stem ) M . 北 京 : 化 学 工 业 出 版社 (Beijing : Chemical Indust ry Press) ,2005. 3 Mikihiko Mat sui Tat suya. A New Maximum Photovol2 taic Power Tracking Cont rol Scheme Based on Power Equilibrium at DC Link A . Co nference Record of IEEE Thirty2Fo urt h IAS Annual Meeting. Phoenix ,Arizo na , 1999. 4 赵争鸣

25、( Zhao Zheng2ming) . 太阳能光伏发电及其应用 ( Photovoltaic Generation and Application) M . 北京 : 科学出版社 (Beijing : Science Press) ,2005. 5 Walker G. Evaluating M PP T converter topologyies us2 ing a MA TL AB PV modelJ . J Elect r Elect ro n Eng , 2001 ,21 ( 1) :49256. 6 Izumi Tsuda , Ko suke Kuro kawa , Ken Noza

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27、io n systemJ . IEEE Trans Ind Elect ro n,2006 ,53 ( 4) : 1 05521 065. ( 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 Pert urb. 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 800 l

28、x 到 1000 lx 和 1200 lx ,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 The simulation model applied in t he PV generation system 图7 光照变化下的电池最大功率跟踪 Fig. 7 The PV cell t raced t he M PP T when t he solar intensity variatio n 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

29、证 相关的控制电路的可行性和相关算法的正确性 。该 1本文由neverweeps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。 维普资讯 西 安 理 工 大 学 学 报 J un l f ia ies yo eh oo y 2 0 )V 12 o 3 o ra o nUnvri f c n lg ( O 7 o. 3N . X t T 文 章 编 号 :1 0 7 0 2 0 ) 3 0 5 4 0 64 1 ( 0 7 0 2 7 0 27 5 基 于 P I 软 件 的光 伏 电池 特性 的仿 真建 模 研 究 SM 任 碧 莹 , 彦儒 ,孙

30、向 东 ,同向前 钟 ( 安 理 工 大学 自动 化 与 信 息 工 程 学 院 , 西 西 安 7 0 4 ) 西 陕 10 8 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 P I 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

31、键词 :光伏 电池 ; 学模 型 ;P I 软 件 ; 性 曲线 数 SM 特 中图分 类号 : TM 6 5 1 文 献标 识码 : A Re e r h o i u a i n M o e fPV l Ba e n PS M o t r s a c n S m l to d lo Ce l sd o I S fwa e REN n Biyi g,ZH ON G a u,SU N a ng,T ON G a g a Y nr Xi ng do Xi n qin ( a u t f Au o to n n o ma i n En i e rn Xi a i e st fTe h o o y, n 7 0 4 , i a F c ly o t ma i n a d I f r t g n e i g, n Un v r iy o c n lg Xi a 1 0 8 Ch n ) o Ab