光伏电池建模以及MPPT仿真分析
1984年创刊(双月刊)
ISSN 1009-3664      CN 42-1380/TN

光伏电池建模以及MPPT仿真分析
作者:刁明君 日期:2018-08-30 

光伏电池建模以及MPPT仿真分析
刁明君
(青岛大学自动化与电气工程学院,山东 青岛  266071)
摘要 为更好地利用光伏电池,通过对光伏电池数学模型的分析,基于Matlab/Simulink仿真环境,用实际参数进行校验,建立了更加贴近实际的光伏电池仿真模型,为验证光伏电池模型的真实性,对不同光照强强度、环境温度下的光伏电池输出特性进行了分析,提出了一种改进的扰动观察法来实现光伏电池的最大功率点跟踪,通过Simulink中的function模块来建模仿真,验证了模型建立的合理有效性。
关键词 光伏电池 模型 MPPT 扰动观察法
Photovoltaic cell modeling and MPPT simulation analysis
Diaomingjun
The School of Automation and Electrical Engineering Qingdao University   Qingdao  266071
Abstract  In order to make better use of photovoltaic cells, through the analysis of the mathematical model of photovoltaic cells, based on Matlab / Simulink simulation environment, with the actual parameters of verification, the establishment of a more realistic model of photovoltaic cells, in order to verify the real In this paper, an improved perturbation observation method is proposed to realize the maximum power point tracking of photovoltaic cells, and the functional modules in Simulink are modeled and simulated by simulating the output characteristics of photovoltaic cells with different light intensity and ambient temperature, validating the reasonable validity of the model establishment.
Key words  photovoltaic cell,model,MPPT,Perturb & Observe algorithm
0 引言
一次能源的使用越来越多,但是总量却是有限的,与此同时造成的环境污染问题也是很严重。所以二次能源的开发与利用是需要快速发展的,光伏发是一种清洁、安全、可靠的发电模式,所以这是一个热门研究方向。光伏发电的最大功率点跟踪是一个必须解决的问题。这其中扰动观察法是一种重要的实现MPPT的方法。
1 光伏电池的数学模型及输出特性
1.1 光伏电池的数学模型
太阳能电池表面由两种不同的材料组成,一种是P型区,空穴多,另一种是N型区,自由电子多,这样在阳光照到电池板时,在两者的接触面就会形成一种特殊的薄膜,在太阳能提供能量下,会导致各个区域多子的漂移,来减少两个区域的少子的浓度差,这个过程持续下去,就能在两个区域之间产生一定的电动势,此时如果将两个区域如果短接的话,就能形成电流。。
由图1,由基尔霍夫定律KCL、KVL可以得到光伏电池的输出电流I:
    (1)
图1 光伏电池等效电路模型
        (2)
设光伏电池在标准测试条件下(S=1000W/m2,T=25℃)的开路电压为Voc,短路电流为Isc,最大功率点电压为Vm,最大功率点电流为Im,结合工程实际,光伏电池的输出特性方程可表示为[1]:
        (3)
其中:
         (4)
          (5)
               (6)
               (7)
           (8)
采用的光伏电池是单晶硅类型时,工程上a、b、c 的典型取值分别为0.0025 ℃-1、0.5m2/W、0.00288℃-1。
图2 光伏电池的模型
1.2 光伏电池的输出特性
如图2所示,影响光伏板输出电流大小的因素从公式(3)可以看出,有光照强度、温度以及光伏板电压,给定的参考值可以根据实际情况进行校验以贴合实际。
1.3 仿真结果分析
将上述子系统进行模型封装后,模块参数采用实验室光伏板的实际参数,见下表1,设置如下参数,实验模拟外界出现不同环境情况时,光伏电池的输出特性,仿真的图形如下3(a)、3(b)、3(c)、3(d)所示。
表1 光伏板参数
型号 BCT260-24
最大功率(Pmax) 260W
最佳工作电流(Imp) 7.56A
最佳工作电压(Vmp) 34.4V
短路电流(Isc) 8.47A
开路电压(Voc) 43.2V
注:测试条件:辐射度S=1000W/m2 组件温度 Tc=25℃


b)光伏电池的U-I特性(T=25℃)

(c)光伏电池的P-U特性(S=1000W/m2)

(d)光伏电池的I-U特性(S=1000W/m2)
图3 光伏电池的输出特性

2 验证改进的扰动观察法
为了验证方法的可行性,本文以Boost变换器作为DC/DC变换电路,建立了仿真模型如图5所示。

图5 仿真电路模型
改变光照和温度,验证MPPT的可行性,仿真结
果如图6-7所示。
首先验证MPPT的瞬时特性,系统光照强度保持不变(S=1000W/m2),温度在时间t=0.5、1、1.5s时突变,温度由35℃→25℃→15℃→5℃,与图3(c)对照可见,系在温度突变后可以很快地实现最大功率点跟踪,如图6所示。

图6 S=1000W/m2时温度变化的MPP跟随图
系统温度保持不变(T=25℃),光照强度在时间t=0.5、1、1.5、2、2.5时突变,光照强度由1000W/m2→800W/m2→600W/m2→400W/m2→200W/m2,与图3(a)对照可见,系统在光照强度突变后可以很快地实现最大功率点跟踪,如图7所示。
图7 温度25℃光照强度变化的最大功率点跟随图

图8 温度缓慢变化时的MPP跟随图

随后验证了最大功率点跟踪在温度或光照强度缓慢变化时的特性,仿真图8。首先让光伏板正常工作在稳定状态(S=1000W/m2,T=35℃),从t=0.5s开始,假设光照强度恒定,温度T开始缓慢递减,每秒递减10℃,比较图8与图6,特定温度下的功率基本相同,所以,该系统在温度变化不明显或者比较慢的情况下,也能够跟踪最大功率点。
3 结论
本文对光伏电池的数学模型进行分析了仿真的分析,在实际实验中用实际型号的光伏板进行了实验比对校正,通过仿真结果分析出模型的合理性。采用的这种改进的扰动观察法,基于Boost升压电路可以实现最大功率点的跟踪,利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型,其仿真分析,验证了方法的可行性。
改进的扰动观察法应该还有改善的余地,使其速度和精度更高,还需要进

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