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基于Matlab/Simulink的光伏電池仿真模型研究

鉅大LARGE  |  點擊量:1900次  |  2020年06月24日  

【電源網(wǎng)】介紹一種以輸出特性為基礎的光伏電池數(shù)學模型,該模型通過光伏電池的4個標準性能參數(shù)擬合出電池輸出特性,它能模擬光伏陣列在任意太陽輻射強度、環(huán)境溫度下的輸出特性。最后,在Matlab/Simulink環(huán)境下建立光伏電池的仿真模型,將仿真結果與實測結果進行比較,驗證該模型的準確性。


隨著低碳經(jīng)濟和低碳技術的發(fā)展,太陽能作為一種潔凈可再生能源已成為各國研究的熱點,各國政府也相繼出臺各類政策支持太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。然而,由于其較高的研發(fā)費用和受實際環(huán)境因素限制,使太陽能光伏技術的發(fā)展遠不能滿足社會發(fā)展需求。所以實驗室仿真分析成為光伏電池設計與研究的有效手段。本文在Matlah/Simulink的仿真系統(tǒng)中,基于光伏電池輸出特性的基礎上對光伏電池進行建模,仿真結果表明,該數(shù)學模型的輸出特性與實際太陽能電池板輸出特性非常接近,驗證了設計的正確性。


1光伏電池實用仿真數(shù)學模型


光伏電池是利用半導體材料的光伏效應制成的,所謂的光伏效應是指半導體材料吸收光能后出現(xiàn)電動勢的現(xiàn)象。所以光伏電池本身是一個p—N結,基本特性與二極管類似,其等效電路由光生電流源和一些電阻組成。仿真模型的特點是采用簡單且易獲取的參數(shù)擬合出光伏電池的輸出特性,適用于對電池外部特性進行的仿真研究。根據(jù)光伏電池的V-I特性曲線可以得到基本輸出特性公式:


式中:U、I為電池輸出電壓和電流;C1,C2為修正系數(shù)。


上述數(shù)學模型還與實際環(huán)境存在一定偏差,所以應該進行修正。采用性能參數(shù)修正法建立的數(shù)學模型,在環(huán)境條件變化時,如溫度,光照強度等因素,可以對光伏電池的4個性能參數(shù)進行修正,得到接近實際環(huán)境下的光伏電池實用模型,修正系數(shù)如下所示:


式中:a和c為溫度補償系數(shù),b為光強補償系數(shù)。


從上面公式得到的光伏電池實用仿真模型不要復雜的參數(shù),只要4個基本性能參數(shù)就模擬光伏電池輸出特性。利用Matlah對上述光伏電池模型進行仿真,以式(1)為數(shù)學模型基礎,在simulik里建立仿真模型。圖1為光伏電池數(shù)學模型內部結構,圖2為該模型的封裝模塊,并在內封裝Um,Uoc,Im,Isc以及Tref,Sref參數(shù),太陽能電池模型參數(shù)設置圖3所示。其中V,I為模型實際電壓和電流,S,T分別為實際日照強度和環(huán)境溫度。


2光伏電池實驗與結果及輸出特性分析


光伏電池輸出功率是光伏電池一個很重要的參數(shù),且在一定光照強度和溫度下都有最大功率點,它由式(8)決定:


在環(huán)境溫度25℃時,光照強度分別為0.8kW/m2,1kW/m2,1.2kW/m2時光伏電池p-U,I-U曲線如圖4,圖5所示。


在光照強度為1kW/m2,環(huán)境溫度分別為15℃,25℃,35℃時光伏電池p-V,I-V曲線如圖6,圖7所示。


從仿真實驗結果中我們可以看到太陽能電池由于受溫度和光照強度等環(huán)境因素影響很大,其輸出具有明顯的非線性。光照強度相同時,隨著溫度上升光伏電池開路電壓下降,短路電流有所新增,最大輸出功率也減小;溫度相同時,隨著光照強度的新增開路電壓幾乎不變,短路電流有所新增,最大功率也有所新增。基于光伏電池輸出特性具有非線性和最大功率點特點,而且最大功率點也隨著光照強度和環(huán)境溫度等因素變化,為提高能量轉換效率,在實際應用中光伏電池需采用適當?shù)淖畲蠊β庶c跟蹤算法控制光伏系統(tǒng),保證光伏電池總是運行在最大功率點。


3結束語


光伏電池輸出特性不僅與自身參數(shù)有關,還與外界光照強度和環(huán)境溫度有關。本文在分析光伏電池輸出特性的基礎上,利用Matlab/Simulink搭建實用仿真模型。仿真結果表明,與光伏電池理想等效模型相比,該模型不要復雜的參數(shù),只需生產(chǎn)廠家供應的4個基本參數(shù)就可實現(xiàn)接近實際環(huán)境下的光伏電池輸出特性曲線,且模塊構造簡單易于理解,參數(shù)容易調整,通用性強、可靠性和精度明顯優(yōu)于其他模型,能夠滿足光伏系統(tǒng)設計要求,為光伏電池理論分析和實際工程設計供應很大便利。


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