基于工程模型的光伏建模與輸出特性仿真

郭 立，晁 勤，袁鐵江，吐爾遜.伊不拉音，袁建黨

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是運(yùn)用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將光照輻射的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)。由于光伏電池成本較高，實(shí)際實(shí)驗(yàn)困難，所以計(jì)算機(jī)模擬仿真成為研究這類領(lǐng)域的主要方式［1］。在實(shí)際情況中，光照強(qiáng)度不穩(wěn)定，同時(shí)太陽能電池易受外界溫度等因素影響，因此需要對(duì)光伏陣列特性進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。

搭建光伏陣列數(shù)學(xué)模型總體上有3種思路:(1)是將光伏陣列直接看成直流電壓源，該方法雖然簡易，卻不能反映光照強(qiáng)度、外界溫度變化及光伏陣列參數(shù)的變化，即不能反映光伏陣列隨外界條件變化的特性;(2)是使用光伏陣列I-V外特性，對(duì)相應(yīng)的參數(shù)修正擬合，從而使得該模型特性近似接近于實(shí)際光伏陣列，但對(duì)于光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等參數(shù)的設(shè)定較為復(fù)雜;(3)是根據(jù)光伏電池本身的物理特性提出光伏陣列數(shù)學(xué)模型，即環(huán)境條件的變化與光伏陣列其內(nèi)部特性的關(guān)系式，該模型的建立需要大量的實(shí)驗(yàn)和時(shí)間，且十分復(fù)雜和困難。因國內(nèi)外所研究的光伏模型具有針對(duì)性和局限性，所以不具備一定的通用性。

基于Matlab/Simulink仿真軟件，根據(jù)光伏工程數(shù)學(xué)模型，搭建光伏陣列仿真模型，采用廠家所提供的光伏電池參數(shù)，并能模擬外界環(huán)境的變化模擬其特性的影響。

1 光伏工程數(shù)學(xué)模型

任意太陽光照強(qiáng)度G(W·m-2)和環(huán)境溫度Ta(℃)條件下，太陽能電池溫度Tc(℃)為

式中，tc由試驗(yàn)測(cè)得大量數(shù)據(jù)取為0.03℃m2/W。

設(shè)在參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im、Vm為最大功率點(diǎn)電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列電壓為V，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流I為

考慮太陽輻射變化和溫度影響時(shí)，

式中，Gref、Tref分別為太陽輻射和電池溫度參考值，一般分別取1 kW/m2和25℃;α為在參考日照下的電流變化溫度系數(shù)，Amps/℃;β參考日照下的電壓變化溫度系數(shù)，V/℃;Rs為光伏陣列的串聯(lián)電阻。

2 光伏陣列最大功率跟蹤控制

在一定的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度下，光伏電池有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)太陽電池工作在該點(diǎn)時(shí)，能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率。恒定電壓控制(CVT)由于在日照強(qiáng)度較高時(shí)，大多數(shù)太陽能電池板的最大功率點(diǎn)位于其開路電壓的(78±2)%處［5］，從而簡化了MPPT的控制設(shè)計(jì)，且考慮外界溫度和光照強(qiáng)度對(duì)開路電壓及短路電流的影響。

當(dāng)日照強(qiáng)度和電池溫度均有變化時(shí)，重新計(jì)算Voc-new為

式(10)中，系數(shù)α，c采用典型值:α=0.0025℃;c=0.00288℃;k=0.76～0.80;系數(shù)b使用優(yōu)化后的參數(shù)值:b=-0.1949+7.056×10-4×G;Vref為工作在最大功率點(diǎn)時(shí)輸入給定電壓;k為MPPT恒壓控制調(diào)節(jié)系數(shù)。

3 光伏陣列仿真模型

依據(jù)光伏電池工程數(shù)學(xué)模型，在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了光伏陣列的仿真模型，如圖1所示。

圖1 光伏陣列的仿真模型況

圖2 最大功率點(diǎn)控制封裝模型

最大功率點(diǎn)控制模型如圖2示，采用恒電壓控制，考慮了外界條件變化對(duì)開路電壓和短路電流的影響，從而使得模型更加精確。

運(yùn)用Simulink封裝技術(shù)將模型進(jìn)行封裝處理［3］，如圖 3 示。

圖3 光伏陣列的封裝仿真模型

由廠家Kyocera Corporation提供型號(hào)為KC40T-1(多晶)的參數(shù)如表1所示，將廠家參數(shù)設(shè)置于模型用戶參數(shù)設(shè)置界面中，如圖4所示。同時(shí)還可設(shè)定外界溫度、光照強(qiáng)度、串并聯(lián)方式等參數(shù)來模擬仿真光伏I—V、P—V特性曲線。

圖4 光伏陣列模型用戶參數(shù)設(shè)置界面

表1 KC40T-1(多晶)的參數(shù)表

使用該模型模擬外界條件的變化下的光伏I—V、P—V特性曲線，由曲線圖5可知當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，光照強(qiáng)度降低，光伏陣列的短路電流和功率也隨之下降，而對(duì)光伏陣列的開路電壓影響較小;由曲線圖6可知當(dāng)光照強(qiáng)度一定時(shí)，隨著環(huán)境溫度的降低，光伏陣列的開路電壓和功率升高，卻對(duì)光伏陣列的短路電流幾乎沒有影響。

圖5 25℃，不同光照強(qiáng)度下的I—V和P—V特性曲線

圖6 1 kW/m2，不同環(huán)境溫度下的I—V和P—V特性曲線

在環(huán)境溫度一定時(shí)，曲線圖7表示，不同的光照強(qiáng)度下光伏陣列功率輸出，在t=12 s時(shí)刻，光照強(qiáng)度由0.8 kW/m2變化為1 kW/m2，輸出功率上升為45 W;在t=16 s時(shí)刻，光照強(qiáng)度變化為0.9 kW/m2，光伏陣列輸出功率下降。圖8則表示，在光照強(qiáng)度一定時(shí)，由不同的環(huán)境溫度下光伏陣列功率輸出曲線可知，分別在t=12 s和t=16 s時(shí)刻，外界溫度變化為30℃和20℃，功率輸出發(fā)生了相應(yīng)的變化，同時(shí)該模型能夠有效、快速地跟蹤最大功率點(diǎn)。

圖7 不同光照強(qiáng)度下的光伏陣列功率輸出曲線

圖8 不同環(huán)境溫度下的光伏陣列功率輸出曲線

4 結(jié)論

依據(jù)光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合最大功率跟蹤數(shù)學(xué)模型，搭建了光伏陣列Matlab通用仿真模型。由廠家提供給定型號(hào)和參數(shù)，該模型就能夠模擬各種外界條件組合下的I—V及P—V特性曲線，從而也驗(yàn)證了光伏陣列是一個(gè)與許多參量相關(guān)的高度非線性電源。MPPT恒壓控制簡單易行，仿真時(shí)間較短，能夠迅速、準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)跟蹤。仿真計(jì)算表明，該光伏陣列模型可以動(dòng)態(tài)跟蹤外界溫度、光照強(qiáng)度等參數(shù)地變化，從而為光伏發(fā)電系統(tǒng)研究提供了光伏陣列工程數(shù)學(xué)模型依據(jù)和動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。

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