基于PSIM软件的光伏电池特性的仿真建模研究

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JournalofXi’UniversityofTechnology(2007)Vol.23No.3an文章编号:100624710(2007)0320257204257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:AResearchonSimulationModelofPVCellBasedonPSIMSoftwareRENBi2ying,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:[e-mail]。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.1Single2PVcellunitequivalentcircuit258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.2ParallelresistanteffectontheMPPT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,Isc=Isco[1+ht(Tc-Tco)]Ido=bTcexp3-aTco图3串联电阻Rs对最大功率的影响Fig.3SeriesresistanteffectontheMPPT当Rsh1kΩ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Rs0.1Ω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Rsh1kΩ以及Rs0.1Ω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nRRa、、、t、co均为常数,电池组件厂家提供的参数bhTo2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.4PSIMsimulationmodelofthePVcellbasedonthephysicmechanism5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.5PackageofthePVcellsimulationmodel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/lx300500Isc/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.1ThePVcellcharacteristiccomparationatthesametemperature(25℃anddifferentsolarintensity仿真结果Voc/VVopt/V20.520.821.617.117.917.9Popt/WIsc/AIopt/A实验结果Voc/VVopt/V21.421.521.317.917.617.8Popt/W1.01.52.50.851.22.1514.521.538.51.01.52.50.781.222.114.021.537.51000260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.2ThePVcellcharacteristiccomparationatthesameirradiation(1000lx)anddifferenttemperature温强/℃15.52530.3Isc/AIopt/A仿真结果Voc/V22.021.620.9Vopt/VPopt/WIsc/AIopt/A实验结果Voc/VVopt/V22.521.120.517.817.517.7Popt/W2.352.52.62.12.152.2518.117.917.938.038.540.22.32.52.62.052.12.236.536.839.0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