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

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

光伏發電系統是運用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將光照輻射的能量直接轉換為電能的一種新型能源發電系統。由于光伏電池成本較高，實際實驗困難，所以計算機模擬仿真成為研究這類領域的主要方式［1］。在實際情況中，光照強度不穩定，同時太陽能電池易受外界溫度等因素影響，因此需要對光伏陣列特性進行建模，實現光伏發電系統的動態仿真。

搭建光伏陣列數學模型總體上有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，卻不能反映光照強度、外界溫度變化及光伏陣列參數的變化，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，對相應的參數修正擬合，從而使得該模型特性近似接近于實際光伏陣列，但對于光照強度、環境溫度等參數的設定較為復雜;(3)是根據光伏電池本身的物理特性提出光伏陣列數學模型，即環境條件的變化與光伏陣列其內部特性的關系式，該模型的建立需要大量的實驗和時間，且十分復雜和困難。因國內外所研究的光伏模型具有針對性和局限性，所以不具備一定的通用性。

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

1 光伏工程數學模型

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

式中，tc由試驗測得大量數據取為0.03℃m2/W。

設在參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im、Vm為最大功率點電流和電壓，則當光伏陣列電壓為V，其對應點電流I為

考慮太陽輻射變化和溫度影響時，

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，Amps/℃;β參考日照下的電壓變化溫度系數，V/℃;Rs為光伏陣列的串聯電阻。

2 光伏陣列最大功率跟蹤控制

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

當日照強度和電池溫度均有變化時，重新計算Voc-new為

式(10)中，系數α，c采用典型值:α=0.0025℃;c=0.00288℃;k=0.76～0.80;系數b使用優化后的參數值:b=-0.1949+7.056×10-4×G;Vref為工作在最大功率點時輸入給定電壓;k為MPPT恒壓控制調節系數。

3 光伏陣列仿真模型

依據光伏電池工程數學模型，在Matlab/Simulink環境下，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 最大功率點控制封裝模型

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

運用Simulink封裝技術將模型進行封裝處理［3］，如圖 3 示。

圖3 光伏陣列的封裝仿真模型

由廠家Kyocera Corporation提供型號為KC40T-1(多晶)的參數如表1所示，將廠家參數設置于模型用戶參數設置界面中，如圖4所示。同時還可設定外界溫度、光照強度、串并聯方式等參數來模擬仿真光伏I—V、P—V特性曲線。

圖4 光伏陣列模型用戶參數設置界面

表1 KC40T-1(多晶)的參數表

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可知當環境溫度一定時，光照強度降低，光伏陣列的短路電流和功率也隨之下降，而對光伏陣列的開路電壓影響較小;由曲線圖6可知當光照強度一定時，隨著環境溫度的降低，光伏陣列的開路電壓和功率升高，卻對光伏陣列的短路電流幾乎沒有影響。

圖5 25℃，不同光照強度下的I—V和P—V特性曲線

圖6 1 kW/m2，不同環境溫度下的I—V和P—V特性曲線

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

圖7 不同光照強度下的光伏陣列功率輸出曲線

圖8 不同環境溫度下的光伏陣列功率輸出曲線

4 結論

依據光伏電池的工程數學模型，并結合最大功率跟蹤數學模型，搭建了光伏陣列Matlab通用仿真模型。由廠家提供給定型號和參數，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，從而也驗證了光伏陣列是一個與許多參量相關的高度非線性電源。MPPT恒壓控制簡單易行，仿真時間較短，能夠迅速、準確地動態跟蹤。仿真計算表明，該光伏陣列模型可以動態跟蹤外界溫度、光照強度等參數地變化，從而為光伏發電系統研究提供了光伏陣列工程數學模型依據和動態仿真平臺。

［1］馮垛生.太陽能發電原理與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］孫自勇，宇航，嚴干貴，等.基于PSCAD的光伏陣列和MPPT控制器的仿真模型［J］.電力系統保護與控制，2009，37(19):61-64.

［3］茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統仿真學報，2005，17(5):1248-1251.

［5］王長江.基于MATLAB的光伏電池通用數學模型［J］.電力科學與工程，2009，25(4):11-14.

［6］YUSHAIZAD Y，SITIHS，MUHAMMAD A L.Modeling and Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System［C］.National Power＆ Energy Conference，2004，(29-30):88-03.