带有MPPT功能的光伏矩阵仿真模型

第 16卷 第 3期 厦门理工学院学报 Vol. 16 N o. 32008年 9月 Journal of XiamenU ni versityo f Technology Sep. 2008[ 收稿日期 ] 2008 - 04- 29 [ 修回日期 ] 2008- 08 - 29[ 基金项目 ] 厦 门市科技计划指导性项目 ( 3502Z 20077005)[ 作者简介 ] 赵 晶 ( 1974 - ) , 女 , 满族 , 福建福州人 , 讲师 , 硕士 , 从事自动控制理论与技术研究 .带有 MPPT功能的光伏矩阵仿真模型赵 晶( 厦门理工学院电子与电气工程系 , 福建 厦门 361024)[ 摘 要 ] 基于光伏矩阵的物理特性 , 在 Si mul ink 仿真环境下 , 设计带有最大功率跟 踪技术 MPPT 仿真算法的光伏矩阵仿真模 型 , 应用 于实际的单相光伏并网系 统 . 测试数据表 明 , 仿真模型 可以模拟任 意参数的光伏阵列 、 动态跟踪光照强度 、 环境温 度的变化 , 为光伏发电系统动态仿真提供良好设计平台 .[ 关键词 ] 光伏矩阵 ; 仿真模型 ;M PPT; 光伏发电系统[ 中图分类号 ] TM 615 [ 文献标 志码 ] A [ 文章编号 ] 1008- 3804 ( 2008) 03- 0053 - 040 引言太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应 , 将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统 . 由于成本高 , 计算机仿真技术成为研究这类系统的有效手段 . 实际情况下 , 太阳光辐射强度不稳定 , 光伏电池特性容易受环境温度等因素影响 , 仅仅依靠准稳态理论建立的模型不能反应当太阳能辐射强度 、 环境温度变化时 , 光伏电站瞬态变化以及这种变化对电网的影响 [ 1] . 这就需要建立光伏电站的动态仿真模型 . 光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部件 , 其 I - V 特性是太阳辐射强度环境温度和光伏模块参数的非线性函数 . 要实现光伏发电系统的动态仿真 , 即需要对作为输入电源的光伏阵列特性进行仿真建模 .建立光伏阵列数学模型一般有三种方法 : 一种是将光伏阵列直接等效为直流电压源 [ 2 ] , 这种方法最简单 , 但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 , 无法反应光伏阵列特性 ; 另一种是基于光伏阵列伏安外特性法 [ 3] , 对开路电压 、 短路电流以及拟合曲线系数进行修正 ,使模型特性与实际光伏阵列在不同光照和温度下特性相似 , 但对温度 、 光照等的设定较为困难 ; 还有一种是依据物理特性建立光伏阵列数学模型 [ 4] , 描述光伏阵列内部特性模拟外界环境变化 . 除了上述的区别 , 这些模型大多数主要是针对特定的光伏模块 , 缺乏一定的通用性 .本文利用 Matlab/Simulink 仿真软件 , 考虑实际系统带有的最大功率跟踪功能 , 依据光伏矩阵物理模型 , 建立相应通用仿真模型 , 描述任意参数的光伏电池特性并模拟外界环境变化 . 由于通用性强 , 且融合了 MPPT( MaximumP ower Point Tracking) 算法 , 该模型还可以被推广应用到其它光伏系统 (如光伏水泵系统 ) 的动态仿真 .1 光伏矩阵数学模型光伏电池 I-V 特性与太阳辐射强度 S和光伏电池温度 T有极大关系 , 即 I =f ( U, S, T) . 采用单结晶硅为材料的光伏电池电路原理如图 1 所示 [ 5] .Rsh为考虑载流子产生与复合以及沿电池边缘的表面漏电流而设计的等效并联电阻 , Rs 为扩散顶厦门理工学院学报 2008年区的表面电阻 、 电池体电阻及上下电极之间的欧姆电阻等复合得到的等效串联电阻 .由图 1的太阳能光伏电池等效电路得出 :I =I L - ID - Ish ( 1)其中 :I 是 光伏模块输出 电流 ;I L 是 光生电流 ;I D是流过二极管电流 ;I sh是光伏模块漏电流 .根据电子学理论 , 材料物理特性决定的理想二极管太阳能电池 I-V特性 [ 5 ]为 :ID =I D0 (eD 1 /D 2 - 1)=I D0 { exp[ q( V + Rs I) /( nkTC ) ] - 1}=I D0 { exp{ q( V+ RsI ) /[ nk( T0 + T) ] } - 1}( 2)I sh =( V+ Rs I) R- 1sh ( 3)式中 :V 是光伏模块输出电压 ;I D 0是二极管反相饱和电流 ;q 是电荷电量 ;n 是二极管性能指数 ;k是波兹曼常数 ;T C 是太阳能电池温度 ;T 0 是绝对零度 ;T 是外界温度 .当太阳电池处于开路状态时 , 开路电压VOC =n kTC q- 1 l n( IL I - 1D0 + 1) ( 4)由公式 ( 1) ～ ( 4) 得 :I =I L - ID 0 ( eD1 /D 2 - 1)-( V+ Rs I) R- 1sh ( 5)其中 : IL =I SCr ef [ 1 +h t( TC - TCref ) ] S/Sref ; ID0 =I L × [ exp( VOC q/n kTC )- 1] - 1式中 :I SCr ef是参考日照 、 温度下的短路电流 ;h t 是太阳电池模块温度系数 ;T Cref是参考条件下的基准温度 ;S ref是参考条件下的光照强度 .在一定参数范围内 , 理想光伏电池等效串联电阻 Rs 很小 , 等效并联电阻 Rsh很大 , 一般工程应用中可忽略不计 [ 6] , 于是公式 ( 5) 简化成 :I =I L - ID0 ( eD1 /D 2 - 1)=I L - ID 0 { exp[ q( V +R s I ) /n kTC ] - 1} ( 6)综合上述推导过程 , 光伏阵列的数学模型 ( 6) 反应出光伏电池受温度影响 , 和光照强度成正比 , 输入电流和输出电压之间呈现明显的非线性特性 , 因此可以用该模型模拟外界条件变化对光伏电池特性的影响 , 准确反应物理特性 , 具有较高的仿真精度 .2 光伏矩阵最大功率跟踪数学模型光伏阵列在任意太阳辐射强度及环境温度下的功率为P =I V=[ IL - ID0 ( eD 1 / D2 - 1) ] V=I L V- I D0 { exp[ q( V+ Rs I) /n kTC ] - 1} V ( 7)由极值条件 dP/d V=I + V× ( dI /dV) = 0 , 得 :I L - ID 0 qnkTCexp[ q( V+ Rs InkTC] V- ID0 exp[ q( V+ Rs I)nkTC] + ID0 = 0 ( 8)利用牛顿迭代法 , 计算出当 Vk+ 1 -V k <ε 时 , 对应最大功率点的电压值 Vmax .Vk + 1 =V k - P′ ( Vk ) /P ″ ( Vk ) ( 9)式中 Vk + 1和 Vk 分别为 V的第 k + 1次和第 k次迭代值 ; P′ ( Vk ) 和 P″ ( Vk ) 分别是第 k 次迭代 P对 V的一阶和二阶导数 ; ε 是迭代精度 .将 Vmax代入公式 ( 6) 得 I max , 于是最大功率 Pm ax可由下式求得 :Pm ax =V ma x · I max ( 10)3 光伏矩阵仿真模型根据公式 ( 6) ～ ( 10) , 考虑 MPPT 仿真算法 , 利用 Matlab软件的 Simulink 仿真功能 , 设计光·54·第 3期 赵晶 : 带有 MPPT功能的光伏矩阵仿真模型伏阵列通用仿真模块 . 图 2是光伏阵列仿真模型内部结构 , 其中 sfun-mppt采用 s函数编程 , 用来实时求解任意太阳辐射 、 环境温度下对应的最大功率点电压 、 电流值 .将图 2所示的光伏阵列仿真模型封装成 Simul ink子系统 ,设计封装参数 , 建立通用仿真模块 . 图 3 是该模块封装后的外观 , 其中 T、 S为实际环境温度 、 太阳辐射强度 , U + 、 U -为光伏阵列输 出电压 , Vm 、 Im 为光伏阵列 最大功率点 电压 、电流 . 图 4是模块封装后的用户参数交互界面 , 该界面用于设置模块所需的物理参数 , 构建具有不同 I-V 特性的光伏阵列 .上述模型是根据电子学理论构建的 , 各种参数的设置为开放式 , 因此能够模拟外界环境温度 、 光照强度变化对 PV 电池特性的影响 , 参数可以模拟实际光伏电池 , 同时模型兼顾MPPT仿真算法 , 故该模型具有较高的灵活性 、 通用性和仿真精度 .4 光伏矩阵仿真模型在光伏系统中的应用将带有 MPPT算法的光伏阵列仿真模块用于图 5所示的单相光伏并网系统的动态仿真 .系统输入电源采用上述光伏阵列模块 ; 控制开关用于调节太阳能能量 ; 利用 Simul ink 模型库中的通用逆变桥构成 I GBT逆变单 元 ; 调节器 采用参数自寻优 的伪微分结构 ( PDF— — — Pseudo-derivativeFeedback ) , 根据目标函数优化调节器参数 , 与常规定参数的 PID调节器应用相比 , 能够提高响应迅速 , 有效改善系统稳定性 、 抗扰性 [ 7 ] .输入图 4所示光伏阵列参数 , 标准温度 T = 25 ℃ 时 , 不同太阳光辐射强度下光伏系统输出功率变·55·厦门理工学院学报 2008年化情况如图 6所示 . 系统利用控制开关调节太阳能量 , 其脉冲信号的调制比由光伏阵列输出电压 、 输出电流决定 , 当太阳辐射强度变化时 , 并网电流能有效跟随太阳辐射强度的变化而变化 . 在 1. 20 s和 2. 20 s时 , 光照强度分别从 1 000W/m 2 降低到 800 W/m 2 和 600 W/m 2 , 光伏阵列输出功率为对应光照下最大功率点的输出 .图 7为逆变器输出电流随太阳辐射变化情况 , 当太阳辐射强度减小时 , 逆变器输出电流随之减小 . 此外 , 系统采用参数自寻优 PDF 调节器 , 电流也能很快跟随光辐射强度的变化 , 动态性能良好 .5 结论研究光伏并网发电系统的关键是实时模拟光伏阵列动态特性 . 光伏阵列特性除了与光伏电池内部参数有关外 , 还与环境温度 、 太阳辐射强度等外界因素有关 , 是一个多变量高非线性的电源 . 本文根据电子学理论 , 在一定工程条件下简化处理光伏电池物理模型 , 结合迭代 MPPT 仿真算法设计光伏矩阵通用仿真模块应用于单相并网系统 . 仿真测试表明 , 与大多数仿真模型相比较 , 该模块能模拟光电池内部物理特性 , 灵活设计任意参数组合的光伏阵列 , 模拟 I-V特性 , 融合光伏阵列的 MPPT功能 , 动态跟踪外界环境 、 太阳辐射强度等变化 , 为实时动态跟踪最大功率点以及光伏发电系统的研发提供了良好平台 .[参考文献 ][ 1] 赵为 . 太阳能光伏并网发电系统的研究 [ D] . 合肥 : 合肥工业大学 , 2003.[ 2] 沈辉 . 太阳能光伏发电技术 [ M] . 北京 : 化学工业出版社 , 2005.[ 3] 赵争鸣 . 太阳能光伏发电及其应用 [ M] . 北京 : 科学出版社 , 2005.[ 4] 徐鹏威 . 几种光伏系统 MPPT方法的分析比较及改进 [ J] . 电力电子技术 , 2007, 41( 5) : 3-5.[ 5] 冯垛生 . 太阳能发电原理与应用 [ M] . 北京 : 人民邮电出版社 , 2007.[ 6] 崔容强 . 并网型太阳能光伏发电系统 [ M] . 北京 : 化学工业出版社 , 2007.[ 7] 赵晶 . 参数自寻优的伪微分调节器的设计和应用 [ J] . 厦门理工学院学报 , 2007, 1, 15( 1) : 31-35.AS im ulationM odel for Photovolt aic Ar r ay with MP PTF unctionZHAOJ ing(Depart ment of Electronic Engi neering, Xiamen University of Technol ogy, Xiamen 361024, China)A bstract: Based on the physical model of PVa rray, a simulation model is designed in the Simulink envi-ronment, including the simulati on arithmetic of MaximumP ower Point Tracking ( MPPT) . It i s used for a si ngle-phase grid-connected photovoltaic system. The testing results indicate that this model can simul ate any parame-ters of the photovoltaic module, dynami cal ly track any light intensi ty and ambient temperature, and can be usedas a desi gn platformf or the dynamic emulation of the photovoltaic systems.K ey words: photovol tai c array; simulation model; MPPT; photovoltaic generation system·56·