光伏太阳能电池组件Matlab通用仿真模块

第 37 卷 第 1 期2011 年 2 月东华大学学报 ( 自然科学版 )JOURNAL OF DONGH UA UNIVERSITY ( NA TURAL SCIENCE )Vol . 37 , No .1Feb . 2011文章编号 : 1671- 0444( 2011) 01- 0090- 05光伏太阳能电池组件 M atlab 通用仿真模块＊彭乐乐 ,孙以泽 ,孟 婥 ,陈玉洁( 东华大学 机械工程学院 ,上海 201620)摘要 : 采用工程用太 阳能电池 5 参量模型及参 数确定法 , 获 取高精度的 光伏组件 通用模型 , 在Matlab / Sim ulink 平台中建立该模型的通用模块 ,利用变步长动态仿真法 ,快速 、 准确地获得光伏组件在不同光强度和温度下的输出特性曲线 .仿真实验表明 ,该通用模块不仅可以准确获得太阳能电池单体输出特性 ,而且可以准确获得光伏组件输出特性 ,与目前采用的相似模块相比 ,其具有使用方便 、 精度高及通用性强的优点 .关键词 : 光伏组件通用模型 ;光伏组件通用仿真模块 ;光伏组件特性曲线中图分类号 : TP 391 .9 文献标志码 : AGeneralized Photovoltaic Array Module Using Matlab / SimulinkP E NG Le-le , SU N Y i- ze , ME NG Chuo , CH EN Yu-j ie(Co lleg e of M echanical Engineering , Dong hua Unive rsity , Shanghai 201620 , China)Abstract : A high- precision generalized photo voltaic array module is established based on 5-parameterengineering model of photovo ltaic cell equation . The generalized module using Matlab / Sim ulink , can berepresentative of pho tov oltaic array fo r easy use on simulatio n platfo rm . Variable dy namic sim ulationmethod is used , w hich can rapidly obtain the output characteristic curves of photo voltaic array w ithdifferent temperature and insolatio n levels . The module is demonstrated by the sim ulation experim ents ,and the results show that the module can no t only get output characteristic curves of photovo ltaic cell andarray , but also has hig her precision and more generalization compared with the similar module .Key words : generalized photo voltaic array mo del ; generalized photovo ltaic ar ray module ; characteristiccurves of photo voltaic array随着低碳经济和低碳技术的发展 ,太阳能作为一种洁净可再生能源已成为各国研究的热点 ,各国政府也相继出台各类政策支持太阳能光 伏产业的研究和发展 .然而 ,由于其较高的研发费用和发电成本 ,太阳能光伏技术的发展速度远不能满足社会发展需求 .因此 , 需要通过软件仿真的方法来对光伏系统进行设计和优化 ,以提高工作效率 、 降低开发成本 . 光伏组件作为光伏系统中的能量源 ,对其进行仿真研究就需要建立相应的仿真模 型和仿真模块 .太阳能电池的经典模型是 5 参量模型 [ 1- 7] , 其数学表达式如式 ( 1) :I = I L - I o exp I Rs + Vn Vth - 1 -I Rs + VR p( 1)式中 : I L 为太阳能 电池电流 ,A ; I o 为 反并二极 管反向饱和电流 , A ; Rs 为 等效串 联电阻 , Ψ ; R p 为＊ 收稿日期 : 2010- 03- 09作者简介 : 彭乐乐 ( 1984 —) , 男 ,安徽宿州人 ,硕士研究生 ,研究方向为机械电子工程 .E- mail : peter . peng 01 @139 . com孙以泽 ( 联系人 ) , 男 ,教授 , E- mail : sunyz @dhu .edu .cn第 1 期 彭乐乐 ,等 : 光伏太阳能电池组件 M atlab 通用仿真模块 91 等效并联电阻 , Ψ ; n 为二极管因子 ; V th = K T/ q ,K 为玻兹曼 常数 , 1 .38 × 10- 23 J/ K ; q 为 电子电荷 , 1 . 6 × 10- 1 9 C ; T 为绝 对温度 , K ; I 为 太阳能电池输出电流 ,A ; V 为太阳能 电池输出 电压 ,V .该模型中含有 5 个参量 ,即 I L , I o , R s , Rp , n .但是 ,太阳能电 池生产 商实际 上只提 供标准 测试条件下的开路电压 V oc ,短路电 流 I sc ,最大 功率点电压 V mp 和最大 功率点电 流 I mp , 其他参量 数据并不能从手册中直接 查阅 ,造成 该模型 无法应 用于实际工程 .苏建徽等 [ 8] 在 5 参量模型的基础上 , 利用 V oc ,I sc , Vmp , I mp 得出硅太阳电池工程用数学模型 ,该模型是目前主要的工程仿真模型 [ 9- 11] .但是其缺点为 :( 1) 忽略光伏电池的 Rs , Rp ,使得模型偏向于理想模型 , 其仿真电流必然大于实际电流 , 造成模块的精度不高 ( 6 %以内 ) ;( 2) 该模型没有考虑光伏组件的结构差异性 ,只要光伏组件的 V oc , I sc , V mp , I mp相同 , 无论其结构如何 ,所仿真出的特性曲线必然相同 ,这使得该模型无法仿真出具有相同测试数据的不同结构 、 不同类型的光伏组件 , 造成模块的通用性不强 .为了解决工程仿真模块精度较低且通用性差的缺点 ,本文采用笔者得出的工程用太阳能电池 5 参量模型及参数确定法 ,获取了高精度的光伏组件通用模型 ,并在 M atlab/ Simulink 平 台中建立该模型的通用模块 , 仿真实验表明 , 本模块可以有效地兼顾通用性及高精度 .1 光伏组件仿真模型1.1 太阳能电池仿真模型为了便于工程实际应用 ,基于太阳能电池经典5参量模型 , 采用厂商提供的 Voc , I sc , V mp , I mp 数据 ,得出了工程用太阳能电池 5 参量模型及参数确定法 ,其具体模型如式 ( 2) :I = I sc( 1 - k 1k2) - k3 ( 2)其中 : k1 = 1/( ex p( V oc/ nV th ) - 1) , k2 = exp[ ( I R s+ V) / nV th ] - 1, k3 =( IR s + V) / Rp . 对于 Rs 和 Rp的选择 ,采用式 ( 3) 和 ( 4) .Rs = 1ImpVoc - V mp - nV th ln Vmp + nV th - I mp RsnV th( 3)Rp =( Vmp - n Vth ) ( Vmp - I mpR s)( I sc - I mp ) ( Vmp - I mp Rs) - I mp nV th ( 4)n 取值为 1 .3[ 3] , 这样 太阳能电池仿 真模型中的参量仅由 V oc , I sc , Vmp , I mp 决定 .考虑外界温度及光强度的影响 , 则可以采用式 ( 5) 和 ( 6) [ 7] 来确定I L , I o .I L = I sc = k4[ 1 + T 1( T - T ref) ] ( 5)式中 : k4 = I sc( T ref , Eref ) ×( E/ E ref) , E ref 为测试光强度 ,kW / m2 ; E 为 工作环境 光强度 , kW / m2 ;T ref为测 试绝 对温 度 ,K ; I sc( T ref , E ref) 为在 测试光强度和工作 环境 光强 度下 的短 路电 流 , A ; T 1为电流温 度系 数 , mA / K ; T 为工 作环 境 绝 对温度 , K .I o = I o ( T ref ) × TTref3/ n× exp - qvgapnK× 1T - 1Tref( 6)式中 : vgap 为半导 体材料跨越能 带间隙能量 , 可取1. 12 eV .1 .2 光伏组件仿真模型光伏组件由太阳能电池串并获得 ,其结构如图1 所示 .假设各个太阳能电池模 块相同 ( 即 Rs , Rp和反并二极管 D 相同 ) ,而且每条支路上的串并联数一样 ( 即各支路串联电流 I L 相等 ) .由基尔霍夫定律可以得出 ,光伏组件的单个太阳能电池模块的电压 V = V a/ N s , 电流为 I = I a/ N p , 其中 : V a 为光伏组件输出电压 , V ;I a 为光伏组件输出 电流 ,A ; N p为太阳能电池单体并联数 ; N s 为太阳能 电池单体串联数 .图 1 光伏电池组件等效 电路图Fig . 1 Equiv alent circuit for photov oltaic array设组件的开路电压为 Voca , 短路电流为 I sca ,峰值电压为 V mpa ,峰值电流为 I mpa ,则每个太阳能电池模块 :V oc = V oca/ N s , I sc = I sca/ N p ,92 东华大学学报 ( 自然科学版 ) 第 37 卷V mp = V mpa / N s , I mp = I mpa/ N p ( 7)利用基尔霍夫定律 ,可以获得 :每条支路二极管端电压 :V D = I aRs/ N p + V a/ N s ( 8)每条支路并联电阻的电流 :I p =[ Va / N s + ( I a/ N p) R s] / Rp ( 9)利用式 ( 2) 可以推出光伏组件的数学模型为I a = I sca( 1 - k5 k6 ) - I p ( 10)式 中 : k5 = 1/( exp(( V oca/ Ns )/ n V th ) - 1) ;k6 = exp( V D/ n Vth ) - 1;Rs =1I mpa/ N s( V oca - V mpa) / N s -nV th ln Vmpa/ N s + nV th - I mpa/ N pR sn V th;Rp =( Vmpa / Ns - nV th ) (V mpa / N s - I mpa / N p Rs )( Isca / Np - Impa ) (V mpa / N s - Impa / N p Rs)- I mpa / Np nVth.2 光伏电池组件的通用模块的建立及仿真2.1 光伏电池组件的通用模块的建立在 M atlab / Simulink 平 台 下 , 利 用 式 ( 10 ) 建立光伏电池组件的通用模 块 , 其封装 和参数 界面如图 2 和 3 所示 . 本模块通过设定 N p 和 N s 不仅可以对太阳能电池单体进 行仿真 ,同 时还可 以对较大功率的光伏组件进行 仿真 .该模 型可以 计算出当前 光 辐 照 度 和 温 度 下 的 功 率 P 最 大 功 率点 W p .图 2 通用光伏组件封装界面F ig .2 Packageinterf aceof generalizedphotovoltaic array module图 3 通用光伏组件参数设定界面F ig . 3 Parameter interface of generalizedphotovoltaic array module2 .2 光伏电池组件的通用模块的仿真采用典型的 Solare msx 60PV 型号光伏组件 ,其具体参数如表 1 所示 ,仿真模块参数设定如图 3所示 .表 1 Solar msx 60PV 参数 ( tre f = 25 ℃, Eref = 1 kW/ m2 )Table1 Solar msx 60PV specifications ( tre f = 25 ℃, Eref = 1 kW/ m2 )Vo c/ V I sc/ A Wp/ W V mp/ VT 1/( mA · K - 1)通常工作温度 / ℃V oc温度系数 /( mV · ℃ - 1)功率温度系数上限 /( W · ℃ - 1)21 .1 3 .8 60 17 . 1 3 49 - 73 - 0 .38在 不 同 光 辐 照 度 下 利 用 该 模 块 对 Solaremsx60PV 进行仿真 ,其输出特性结果如图 4 及表 2所示 ;在不同温度下进行仿真 ,得其输出特性结果如图 5 及表 3 所示 .假设在给定条件下 , 定义相对误差 = ( 测试值 - 仿真值 )/ 测试值 × 100%, 则可以获得 W p 最大相对误差为 0 .7 %; V mp 最大相对误差为0.5 %. 在 0 ～ 100 ℃, Voc温度系数为 - 70 mV/ ℃, 功率温 度 系 数 为 - 0 . 15 W/ ℃, 完 全 吻 合 Solaremsx 60PV 给定特性 .从表 2可以明显看出 ,光辐照度从 1 kW/ m2 减小到 0 .2 kW/ m2 , Voc从 21 .1 V 减小到 19 .2 V ,减小了 9 %; 而 Vmp 从 17 V 减小到 16 V ,减小了 6 %. 温度从 0 ～ 100 ℃ 时 ,Voc从 22 .8V 减小到15 .8 V ,减小了 31 %; 而 Vmp 从 19 V 减小到 11 .5 V ,减小了 39 %. 从中可以看出 ,温度主要影响电压 ,光第 1 期 彭乐乐 ,等 : 光伏太阳能电池组件 M atlab 通用仿真模块 93 强度主要影响电流 ,V mp 与 Voc的变化趋势基本相同 ,在 t = 25 ℃ 下 , V mp ≈ 0.81Voc 可以为定电压最大功率点跟踪法提供理论数据 .图 4 光伏组件在不同光强度下的特性曲线 ( t = 25 ℃ )Fig . 4 Characteristic curves of photo voltaic arrayw ith differe nt insolatio n levels表 2 光伏组件在不同光强度下的特性表 ( t = 25 ℃ )Table 2 Characteristic table of photovoltaic arraywith dif ferent insolation levelsE/( kW · m - 2) V oc/ V Isc/ A Wp/ W V mp/ V Vmp / Vo c1 .0 21 . 1 3 .8 59 . 7 17 .0 0. 810 .8 20 . 8 3 .1 47 . 5 17 .0 0. 820 .6 20 . 5 2 .3 35 . 3 16 .5 0. 800 .4 20 . 0 1 .5 23 . 2 16 .5 0. 820 .2 19 . 2 0 .8 11 . 1 16 .0 0. 83表 3 光伏组件在不同温度的特性表( Er ef = 1 kW/ m2)Table 3 Characteristic table of photovoltaic arraywith dif ferent temperature levelst/ ℃ V oc/ V Isc/ A W p/ W V mp / V V m p/ V oc0 22 . 8 3 . 5 62 . 0 19 0 . 8325 21 . 1 3 . 8 59 . 6 17 . 0 0 . 8150 19 . 3 4 . 1 56 . 2 15 . 0 0 . 7775 17 . 6 4 . 4 51 . 8 13 . 5 0 . 77100 15 . 8 4 . 7 46 . 8 11 . 5 0 . 73图 5 光伏组件在不同温度下 的特性曲线( Eref = 1 kW/ m2)Fig .5 Characteristic curv es of photovoltaicarray w ith different temperature levels2 .3 模块的实际仿真应用假设光 强度在一天中满足高斯分布 , E( t)=Emax exp( - ( t - tc ) 2/ 2σ 2 ) , 其中 t 为时刻 ; tc 为一天中最大光强度时刻 ;σ 为偏差 .设最大光强度在中午12 : 00 , 则 对 应参 数 可 设 为 : t c = 12 , σ= 0 .5 ,Emax = 1 kW / m2 , 利用该模块可以仿真一天中光伏组件在不同输出电压下的输出功率 ,如图 6 及表 4所示 .当光伏组件输出电压为 15 V 时 ,输出功率最图 6 一天中光伏组件在不同输出电压下的功率特性曲线 ( t = 49 ℃ )Fig . 6 Power characteristics during a sampleday fo r different voltage( t = 49 ℃ )94 东华大学学报 ( 自然科学版 ) 第 37 卷大 ;当输出电压为 10 V 时 ,输出功率为 15 V 时的70 %; 当输 出电压为 19 V ,输出 功率仅为 15 V 的22 %; 当输出电压大于 20 V 时 ,输出功率为 0 ,为了提高光伏组件的效率 , 需要根据不同的外界光强度和温度来改变光伏组件的输出电压 ,实现最大功率跟踪控制 .表 4 一天中光伏组件在不同输出电压下的输出最大功率 ( t = 49 ℃ )Table 4 Maximum power during a sampledayfor different voltage( t = 49 ℃ )V o/ V 10 13 15 17 19 20W p/ W 40 .6 52 .0 56 .4 48 .8 12 .3 03 结 论对光伏组件进行准确快速的仿真 , 关键是采用合理的模型并建立相应的模块 .本文采用工程用太阳能电池 5 参量模型及参数确定法 ,获取高精度的光伏组件通用模型 ,并在 Matlab / Simulink 中建立其相应模块 .采用动态仿真技术 ,可以快速 、 准确获得光伏组件在不同光辐照度 、 温度下的输出特性曲线 、 最大功率点和峰值电压 .通过对光伏组件进行仿真试验对比 ,表明本模块具有精度高 、 通用性强的优点 .参 考 文 献[ 1 ] GOW J A , M ANNING C D . 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