基于Matlab/Simulink的太阳能电池特性仿真.pdf-资料库

http://www.paper.edu.cn 基于 Matlab/Simulink 的太阳能电池特性仿真朱丽合肥工业大学电气自动化系，安徽合肥（230009） E-mail：lilyzhu1980@sohu.com 摘要：本文介绍了一种以太阳能电池数学模型为基础，结合 buck 变换电路 [1] ，在 MATLAB/SIMULINK 环境下建立了光伏电池模拟器的仿真模型。它能模拟光伏阵列在任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并连方式组合下的输出特性。并在该仿真模型的基础上利用在光伏电池的最大功率点 =dv 0 方法简单，能快速的实现对最大功率点的跟踪。关键词：buck 变换电路；太阳能电池/模拟器；Matlab/simulink 仿真;光伏模块；最大功率点跟踪; 中图分类号：TM92 ，提出了一种新的最大功率点跟踪方法，该 dp / 1．引言太阳能电池板因其造价高，随日照强度、环境温度的影响变化较大，且实际太阳光辐射持续变化，使太阳能电池板的输出特性不稳定，导致实验室中的太阳能系统难以开发和实验。以往的太阳能模拟常采用仿日照灯模拟光源的方法，其制作复杂，成本较高，且能量损耗较大。本文介绍了一种以直流斩波器为基础的太阳能电池模拟器，用以模拟太阳能电池板的输出特性。本文在Matlab/simulink 的仿真环境中，基于太阳能电池的数学模型，建立了光伏电池模块的仿真模型，运用到该模拟器的仿真系统中。仿真结果表明，该模拟器的输出特性与实际太阳能电池板输出特性非常接近。并把该模拟器运用到光伏系统的最大功率点跟踪系统中，仿真图形表明可以快速的实现最大功率点的跟踪。 2．太阳能电池输出特性太阳能电池分为非晶硅、多晶硅等多种类型，以为各自制造技术的不同表现出不同的 I-V 输出特性[2]。同一类型的太阳能电池由于日照强度、环境温度的不同输出特性 I-V 也不同[3]。太阳能电池的输出特性如图 1、图 2 所示，图 1 表示太阳能电池的 I-V 曲线随太阳辐射强度变化而变化的规律。随日照强度的增加，电流 Ipv 也增大。图 2 表示太阳能电池的 I-V 曲线随温度的变化而变化的规律。随温度的增加，电压 Ipv 也变大。由图可以看出太阳能电池的 I-V 特性与太阳辐射强度、环境温度之间是高度非线性的。 3．模拟器的原理太阳能电池模拟器是模拟实际太阳能电池板在不同日照强度和温度下的 I-V 输出特性。本文介绍的太阳能电池模拟器以直流斩波电路为基础结合太阳能电池的数学模拟构成。 3.1. 模拟器结构图 - 1 -

http://www.paper.edu.cn 图 1 光伏电池 I-V 特性随日照强度变化曲线图 2 光伏电池 I-V 特性随环境温度变化曲线图 3 太阳能电池模拟器的结构图由图 3 可以看出，该模拟器主要由整流电路和直流斩波电路构成，其中输入级为一个整流电路，输出不可调的直流电压 Vi 到直流斩波电路。直流斩波电路为标准的 Buck 电路。Buck 电路的输出电压由式（1）决定。 = out V iDV (1) 式中 D——PWM 波形占空比在控制系统，检测负载电压，依据电流控制斩波器的输出，模拟 PV 模块的实际特性。在实际控制中，根据检测到的斩波器的输出电压实时计算出相应的参考电流I -ref 值，作为控制斩波器的参考电流，依据参考电流自动调整 PWM 的 D，使输出电流跟踪参考电流。 3.2. I-ref 确定设在参考条件下（一般取日照强度 refS I 为短路电流， I 、 mpV 为最大功率点所对应的电流和电压。则当光伏阵列模型电压为 pvV = 25 ）, sc c =1KW/ 2m ,电池温度 Tref ocV 为开路电压， mp 时，电流 pv I 由式（2）决定[4]： I= pv 1( sc ec ( 1 V R Vc 2 oc + ))1 DI (2) - 2 - - - - I

http://www.paper.edu.cn c 2 = ( V mp V oc /)1 1ln( ) mp sc (3) = 1( c 1 ( V mp Vc 2 oc ) mp e ) sc (4) V = V R DI pv = + (b TT ref + ) DIR s （5） TTS ( a ref I+ ) ( S sc )1 (6) 式中： a ——在参考日照下，电流变化温度系数（Amps/ c ）; b ——在参考温度下，电压变化温度系数（V/ 实测值为[5]： )C ；对于单晶硅及多晶硅太阳电池其 = 0012 .0a .0=b ocV005 （7） sc （8） SR ——光伏模块的串联电阻（Ohms）由式（9）决定[6]： N N P R ref s . ( A ref s . 1ln( = R s = N N P I I refm . sc ref . V T cref A ref = m voc m Isc Im ocref T cref ref . 3 + N e ) V refm . + V ref oc . /) I refm . （9）（10） e : 材料能带，其中：：参考条件下，光伏阵列最大功率点电压和电流。 12.1 eV ( 硅）； =e ref . ：参考条件下，光伏阵列短路电流和开路电压； oc ：参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数； I m ocV . , V . refm V , . refm I ref sc . , m scI . N ：光伏阵列单元串联数； SN ：光伏阵列模块串联数； PN ：光伏阵列模块并联数； cT . ：参考条件下，光伏电池温度； ref 4.Matlab/simulink 仿真 4.1.仿真模型的建立利用 Matlab 对上述太阳能电池模拟器进行了仿真，在 simulink 环境中，依式（2）太阳能电池的数学模型为基础，建立了太阳能电池的仿真模型。其中图 4 为太阳能电池数学模型的内部结构，图 5 为该模型的封装模块。其中 S、T、Rs 分别为日照强度、温度、太阳能电池 - 3 - I I - - - I I - - - - I - - - -

的串联电阻。Ipv 为对应 Vpv 的实际模型电流。 http://www.paper.edu.cn 图 4 数学模型的内部结构图5 封装模块太阳能电池模型的参数设置如表 1：表 1 仿真电路参数设置 Imp Rs Tref Sref Voc Isc Vmp 42V 4.5A 34V 4A 0.1 W 25 c 1kw/ 2m 在仿真实验中，输出端接一可变电阻作为系统负载，通过改变电阻 R 的值，测量相应的 Ipv,Vpv。标注在 I-V 坐标中，将这些点连成一条曲线。系统仿真结果如图 7 至图 9 所示，这里采用数学模型的 I-V 特性代替太阳能电池的实际输出特性。图 7 所示为在参考条件下 / mw ，25 c ）模拟器的输出特性与数学模型 I-V 特性的比较。图 8 分别给出在参考温（1000 度下（25 c ）不同日照强度下的 2 条模拟特性曲线。由图可以看出该模拟器可以精确的模拟太阳能电池的输出特性。 5. 光伏电池最大功率点跟踪 2 光伏电池在任意日照强度、环境温度下输出功率为： = p VI PV PV = IV PV SC 1( eC ( 1 v R VC 2 OC ))1 + V DI PV (11) - 4 - - -

dp / dv = I 1( SC eC 1 v R VC 2 OC + + C 1 ) CIVDI 1 CV OC SC 2 http://www.paper.edu.cn v r vc oc e =0 (12) = S 0.1 Tmk w , 2 / = 2 5 c S = 0.1 Tmk w , / 2 = 2 5 c = S 0.1 Tmk w , 2 / = 5 0 c = S 7 5.0 Tmk w , / 2 = 2 5 c 图 6 不同温度下的输出特性与 v 有关，且在 mpv 处 dp / dv 由上式可看出 mpv dv < 时0 > v v < ， .本文提出了一种基于爬山法的最大功率点跟踪的方法,该方法简单,避免 =dv >dv mpv ，当 dp dp 时 0 0 / / / dp 了 S 函数的编写,在 simulink 环境中，用能较准确的实现最大功率点的跟踪. 图 7 不同日照强度下的输出特性压, v = = ,0 dv 本文根据上述算法编写了 matlab 中的 fcn 模块，其输入为太阳能电池模拟器的输出电 dp / 根据 refv 的值，调节 boost 的占空比，来实现最大功率的跟踪。图 10 为功率曲线。该跟踪方法能快速的实现对最大功率的跟踪，且实现简单。但存在一定的误差，这一点需 D+= dpv , -= v dp dv dv ,0 ,0 v . > < v v v ref v ref ref / , / 改进。图 8 最大功率跟踪曲线图 - 5 - - - O O O O D

http://www.paper.edu.cn 6. 结论本文介绍了基于 PV 模快的太阳能电池模拟器，根据太阳能电池的数学模型，在 Matlab/simulink 中，利用其数学模型建立了 PV 模块的 Matlab 仿真模型，并运用在上述太阳能电池模拟器中，经仿真实验结果证明，该模拟器性能良好，可以很好的模拟太阳能电池的实际输出特性。可以用在光伏系统研究中代替实际的太阳能电池。并用该模拟器实现了最大功率点的跟踪，仿真结果表明该模拟器能很好的实现最大功率点的跟踪。参考文献 [1]宋平刚.再生能源系统中太阳能电池仿真器的研究.电力电子技术[J]，2003，37； [2]Lilington D Kukulka J. Mason A, Sanchez J ‘Optimization of sillion 8cm*8cm wrapthrough space station cells for orbit operation ’.In Processin Of 20th IEEE pv specialists confercence. [3]Mring L, DeBlasiot R,O’sullivan G A Tomko T An adance PV system simulator to demeonstrate the perfotmance of advance PV cell and devices ,In proceeding of 16th IEEE PV Specialist Conference. [4]Kame Khouzam，Cuong Ly，Chen Khoon Koh，Poo Yong Ng.SIMULATION AND REAL-TIME MODELLING OF Space photovoltaic systems[J].IEEE.1994,2038-2041. [5]Platon Baltas,Marine Tortoleli,Paul E Russel.Photovoltaic Designer.ASPVD[Z].Arizona State university ,Dept of Electrical and computer Engineering,1988 [6]茆美琴，余世杰，苏建徽。带有 MPPT 功能的光伏阵列 Matlab 通用仿真模型[J]。系统仿真学报。2005。 1248-1251 Emulating the characteristic of Solar Cell Based On Matlab/Simulink Li Zhu ChongWei Zhang Department of Electric Automation,HeFei University of Technology,HeFei,PRC,230009 Abstract This paper introduces photovoltaic simulator which uses buck chopper bases on the mathermatic model of pv.The simulation module of the photovoltaic simulator is developed under Matlab/simulink environment.By the photovoltaic simulator ,the output characteristics of the photovoltaic array with different combinations can be emulated at any corresponding insolation level,ambient temperature and parameters of the photovoltaic module,..The paper puts forward a new Maximum power point tracking method which based =dv on point quickly. on the Maximum power point .The method is simple and can track the Maximum power 0 dp / Key Words: buck chopper; solar cell/simulator; Matlab/simulink simulation; photovoltaic model ； Maximum power point tracking; - 6 -

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