基于MATLAB的光伏电池阵列MPPT仿真研究

基于 MATLAB的光伏 电池阵列 M ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt 仿真研究 邵卫超， 朱 凌 (华北电力大学 ，河北 保定 071003) 摘要 ：利用 MATLAB／Simuunk仿真模块。以光伏电池阵列的数学模型为基础，建立了一种光伏电池阵列的仿真模型。给 出了仿真模型的内部结构。及其在不同环境温度和光照强度下的输出特性仿真结果。对仿真模块进行了最大功率点跟 踪仿真，给出了仿真结果。 关键词：光伏电池阵列；数学模型；MATLAB仿真；最大功率点跟踪 中图分类号：TM 914 文献标识码：A 文章编号：1002—087 X(2012)02—0209—03 Study on photovoltaic array and MPPT simulation model based on M ATLAB SHAO Wei-chao，ZHU Ling (NorthChinaElectricPowerUniversity,BaodingHebei071003,China) Abstract： Using MATLAB／Simulink，a PV array simulation model based on its mathematical model was established． The internal structure of the simulation model was given out，and the simulation results under different environmental temperatures and radiations were displayed． MPPT simulation is done based on the model and the corresponding results were provided． Key words：PV array；mathematical model；MATLAB simulation；MPPT 随着传统能源的消耗，人们对新能源的开发利用越来越 重视。由于太阳能具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、容易获 取等众多优点，光伏发电受到广泛关注。但是 ，光伏电池阵列 的输出特性受环境温度和光照强度的影响很大，需要对其进 行最大功率点跟踪来提高发电效率。 直接搭建光伏系统进行最大功率点跟踪实验成本较高。 光伏电池阵列模型可以模拟出在不同的光照强度 、环境温度 以及不同组合下的光伏电池阵列的特性 、负载能力与系统的 性能，大大缩短光伏系统的研究周期 ，提高研究效率和研究结 果的可信度。因此建立光伏电池阵列模型在实际工作中是非 常必要的【”。本文采用 MATLAB／Simulink仿真工具，建立了光 伏电池阵列的仿真模型，并对其进行了最大功率点跟踪仿真。 1光伏电池的等效电路 光伏电池是一种利用半导体材料的光伏特性将光能转化 为电能的器件。虽然不同规格和材料的光伏电池的输出特性 会存在一些差异 ，但是其发电原理基本相同，输出特性也遵循 一 定的规律。光伏电池的等效电路模型如图 l所示。 当光照恒定时，由于光生电流 ， 不随光伏电池的工作状 态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。光伏电 池的两端接入负载后，光生电流流过负载，从而在负载的两端 建立起端电压 、，o厶为太阳电池在无光照时的饱和电流。此外， 收稿 日期：2011—07—22 作者简介：邵卫超 (1987一 )，男，河北省人。硕士研究生，主要研 究方向为电力电子与电力传动。 209 I R —、 I l I I — 厶l Z 』口 Jr 。 I 图1 光伏电池等效电路 由于太阳光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的 电阻率 ，当工作电流流过时必然会引起电池板内部的串联损 耗，故引入串联电阻 Ro串联电阻越大，线路损耗越大，光伏电 池输出效率越低。在实际的太阳光伏电池中，一般串联电阻都 比较小，大都在 10。n至几Q之间。另外，由于制造工艺的因 素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的 裂痕 、划痕，从而形成漏电，导致本来要流过负载的光生电流 被短路掉 ，因此引入一个并联电阻 来等效。相对于串联电 阻来说，并联电阻比较大，一般在 1 000 Q 以上囡。 2光伏电池阵列的数学模型 由等效电路图可得光伏电池特性的一般公式： ，：，I一 {。 pl! ，_型 l一1}一 ，_ (1) 【 L AkT J J 。h 式中：工为光伏电池的输出电流；I 为 P-N结电流；厶为反向饱 和电流；V为输出电压；T为绝对温度 ；口是单位电荷 ，其值为 1．6×10 C；k是玻耳兹曼常数 ，其值为 1．38×10 J／K；A为二 极管理想常数，其值常在 l～2变化。通常情况下式 (1)中的 ( RsD／ 项远远小于光伏电池输出电流，故该项可以忽略翻。 201 2．2 Vo1．36 NO．2 由于单个光伏电池产生的电压很小 ，实际中需要通过对 许多小单位的光伏电池串、并联来得到期望的直流电压或电 流。由此可得简化的光伏电池模块的输出特性方程： ，= ， 一 ， {expI l一 }c 2 式中：门D、 分别为光伏阵列模块中光伏电池并联和串联的个 数。相应的光伏阵列模块中，在考虑到光照强度及温度变化的 情况下 ，分析光伏电池工作原理可得： ，L= 。。I 1+ (T—Lof)I 一 (3) t r ref 式中： 为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 测试条件下测得的光伏电池的短路电流；G为 光照强度 ； 为光伏电池的短路电流温度系数；标准测试条件 是指光伏电池的绝对温度 与光照强度 G 的值为参考值， 即分别为 298 K和 1 000W／m2。 L／Iex 卜l ㈩ V o = 。f【1+fl(T一 )l (5) 式中： 对为标准测试条件下测得的光伏电池 的开路 电压 ；IB 为光伏电池的开路电压温度系数。 3 光伏电池阵列的仿真模型 基于上述数学模型，在 MATLAB／Simulink环境下建立光 伏电池阵列的仿真模型 ，并在其 内封装 、 、 、 、咫以及 n口、 等参数。仿真时，只需根据不同规格的光伏电池阵列参数 进行设定，就能进行相应的仿真。其内部结构如图 2所示。 图2 光伏电池阵列仿真模块内部结构 设置光伏电池阵列参数为： 5 A； 22 V；a=0．05％／k； p=一80 mV／k； 1； 5。 在环境温度为 25℃时 ，仿真得光照强度为 1 100，1 000， 800，500 W／m2时的光伏电池阵列 I—v、P—v曲线如图 3所示。 当光照强度为 l 000 W／m 时，仿真得环境温度为 0，15， 25，40℃时的光伏电池阵列 I．V、P．v曲线如图4所示。 2012 2 Vol 36 No．2 21 0 图 3 环境温度 25℃时不同光照强度下光伏电池模型的输出特性 U| 图4 光照强度 1 000 W，mz时不同环境温度下光伏电池模型的 输出特性 从仿真结果可以看出，此仿真模型可以较好地模拟光伏 电池阵列的输出特性。 4 光伏电池阵列模型最大功率点跟踪 控制仿真 光伏电池阵列在光照强度 、环境温度或负载等发生变化 时，输出特性也会改变。因此，为了保证光伏电池阵列工作在 最大功率输出状态，需要对其进行最大功率点跟踪控制 。目 前 ，最大功率点跟踪控制策略有很多种。本文采用 Boost电路， 建立了以电导增量法为理论基础的最大功率点跟踪控制仿真 系统。将光伏电池阵列仿真模型接入上述仿真系统 ，进行最大 功率点跟踪控制仿真。仿真系统如图5所示。 图5 光伏电池阵列模型最大功率点跟踪控制仿真系统 采用阻性负载，初始光照强度 1 000 W／m2，设定阶跃信号 在 0．4 S时的值变为 500，这样光照强度变为 500 W／m2，设定仿 真时间 0．8 s，运行仿真电路，得到图 6、图7所示仿真结果。 tIs (a)输入端电压 tIS (b)输 出端电压 图6 Boost电路输入输出端电压特性曲线 由光伏电池阵列模型的仿真结果可得，在光照强度 1 000 W／m ，环境温度为25℃时，光伏电池阵列模型的最大输出功 率为 78．8 w，对应输出电压为 16．4 V；而光照强度 500 w／m ， 环境温度 25℃时，光伏电池模型的最大输出功率为 45-3 w， 对应输出电压为 18．9 V。最大功率点跟踪的仿真结果中，Boost 电路输入端的相应功率分别为 78．7 w 和 44．8 w，输入端电压 21 1 t／s (a)输入端功率 f／s (b)输出端功率 图 7 Boost电路输入输出端功率特性曲线 分别为 16-3 v和 18．5 V，输出端的相应功率分别为 76．8 w 和 43．4 w。上述数据基本吻合，说明此系统能较好地完成最大功 率点跟踪功能。 5 结论 光伏电池阵列的输出特性受环境温度，光照强度等多种 因素影响，为了使光伏 电池阵列能输出最大功率 ，要时刻对其 进行最大功率点跟踪控制。本文基于 MATLAB／Simulink，以光 伏电池阵列的数学模型为基础建立了其仿真模型，模型的输 出特性与实际相符。同时，对模型进行了最大功率点跟踪控制 的仿真，结果表明仿真系统能较好地完成对最大功率点跟踪 控制的模拟工作。 参考文献： [1] 周德佳，赵争鸣，吴理博，等．基于仿真模型的太阳能光伏电池阵 列特性的分析【J]．清华大学学报 (自然科学版 )，2007，47(7)： l109一lll2． 【2] 孔娟．太阳能光伏发电系统的研究[D]．青岛：青岛大学，2006． [3] 王越，王念春，时斌．太阳能光伏电池阵列仿真模型的研究[J]_电 工电气，2009(10)：20—22． [4】 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，2005，17(5)：1248．1251． 201 2．2 VOI．36 NO．2