太陽能電池陣列仿真研究

太陽能電池陣列仿真研究

在構(gòu)建照明系統(tǒng)時，由于光強和溫度的很大變化，使用真實的光束電池矩陣是非常昂貴的。尤其是當(dāng)被研究的光伏系統(tǒng)的功率在數(shù)百瓦甚至更大級別時,為了降低投資,提高系統(tǒng)的可行性,建立光伏電池陣列模型就顯得十分重要。光伏電池陣列模型可以模擬出在不同的光照強度、環(huán)境溫度以及不同組合下的光伏電池陣列的特性、負(fù)載能力與系統(tǒng)的性能,可以大大縮短光伏系統(tǒng)的研究周期,提高研究效率和研究結(jié)果的可信度。因此建立光伏電池陣列模型在實際工作中是非常必要的。本文介紹了一種在MATLAB/Simulink環(huán)境下,模擬一個實用的光伏電池陣列模型的方法。1光伏電池模塊的等效電路光伏電池的發(fā)電是利用光入射于半導(dǎo)體時所引起的光電效應(yīng),其基本特性和二極管類似,可用簡單的PN結(jié)來說明。當(dāng)具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時,光與構(gòu)成半導(dǎo)體的材料相互作用產(chǎn)生電子和空穴(因失去電子而帶正電荷),電子接收光能,向N型半導(dǎo)體擴散,使N型半導(dǎo)體帶負(fù)電,同時空穴向P型半導(dǎo)體移動,使P型半導(dǎo)體帶正電,這樣,在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生了電動勢。這時,分別在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體電極處焊上金屬導(dǎo)線,接通負(fù)載,則外電路便有電流通過,構(gòu)成電池元件。圖1是光伏電池等效電路,其工作原理為:當(dāng)光照恒定時,由于光生電流IL不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化,因此在等效電路中可以看作是一個恒流源。光伏電池的兩端接入負(fù)載后,光生電流流過負(fù)載,從而在負(fù)載的兩端建立起端電壓V。負(fù)載端電壓反作用于光伏電池的P-N結(jié)上,產(chǎn)生一股與光生電流方向相反的電流Id。此外,由于太陽能光伏電池板前后表面的電極以及材料本身所帶有的電阻率,當(dāng)工作電流流過板子時必然會引起電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗,故引入串聯(lián)電阻Rs。串聯(lián)電阻越大,線路損耗越大,光伏電池輸出效率越低。在實際的太陽能光伏電池中,一般串聯(lián)電阻都比較小,大都在10-3Ω至幾歐之間。另外,由于制造工藝的因素,光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時可能會產(chǎn)生微小的裂痕、劃痕,從而會形成漏電,導(dǎo)致本來要流過負(fù)載的光生電流被短路掉,因此引入一個并聯(lián)電阻其中Rsh來等效。相對于串聯(lián)電阻來說,并聯(lián)電阻比較大,一般在1kΩ以上。由等效電路圖可得光伏電池特性的一般公式:式中:I為光伏電池的輸出電流;IL為PN結(jié)電流;IO為反向飽和電流;V為輸出電壓;T為絕對溫度(K);q是單位電荷,其值為l.6×10-19C;k是玻耳茲曼常數(shù),其值為l.38×10-23J/K;A為二極管理想常數(shù),其值常在1~2之間變化。通常情況下式(1)中的(V+RsI)/Rsh項遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光伏電池輸出電流,因此該項可以忽略。由于單個光伏電池產(chǎn)生的電壓很小。因此,在實際中,需要通過對許多小單位的光伏電池串、并聯(lián)交替組合來得到期望的直流電壓或電流。據(jù)此可以得到簡化的光伏電池模塊的輸出特性方程:式中:np、ns分別為光伏陣列模塊中光伏電池并聯(lián)和串聯(lián)的個數(shù)。相應(yīng)的光伏陣列模塊中,在考慮到光照強度及溫度變化的情況下,分析光伏電池工作原理可得:IL=Isc[1+α(T-Tref)]GGref(3)式中:Isc為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的光伏電池的短路電流;G為光照強度;α為光伏電池的短路電流溫度系數(shù);標(biāo)注測試條件是指光伏電池的絕對溫度Tref與光照強度Gref的值為參考值,即分別為298K和1000W/m2。當(dāng)光伏電池處于開路狀態(tài)時I=0;V=Voc。代入式(2)可得反向飽和電流的表達(dá)式為:式中:Voc,ref為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下測得的光伏電池的開路電壓;β為光伏電池的開路電壓溫度系數(shù)。當(dāng)光伏陣列模塊工作在最大功率點時,由式(2)可求得Rs:式中:Vm為光伏電池最大功率點的工作電壓;Im為光伏電池最大功率點的工作電流?；谏鲜龅臄?shù)學(xué)模型,在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立光伏電池陣列的通用仿真模型,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。創(chuàng)建子系統(tǒng),并在其內(nèi)封裝Im、Vm、Isc、Voc以及np、ns等參數(shù),這些參數(shù)可由廠家給定產(chǎn)品數(shù)據(jù)中獲得。仿真時,可以方便的對不同的光伏電池陣列進(jìn)行設(shè)置。如圖2中所示,利用Simulink工具,在光伏電池陳列的物理數(shù)字模型基礎(chǔ)上,建立光伏電池陣列的仿真模型。其中模塊輸入為溫度t;光照強度G;模塊的輸出為光伏電池陣列工作電壓V和輸出電流I。2光伏電池陣列的i-v、p-v模型及電路模型根據(jù)現(xiàn)有實驗設(shè)備,設(shè)置光伏電池陣列參數(shù)為:Im=8.58A;Vm=17.5V;Isc=9.19A;Voc=22.0V,α=0.05%/K;β=-80mV/K;np=1;ns=5。在溫度25℃時,測得光照強度為1000,800,500W/m2時的光伏電池陣列I-V、P-V曲線如圖3、圖4所示。由圖3可知,當(dāng)溫度不變,隨著光照強度的增大,光伏電池陣列開路電壓基本不變,而短路電流越大,最大功率點也隨之增大。從圖4可以看出三條曲線的峰值幾乎處于同一垂直的直線上,即當(dāng)光照強度發(fā)生變化時,最大功率點的輸出電壓基本恒定。當(dāng)光照強度為1000W/m2,環(huán)境溫度分別為0,25,50℃時光伏電池陣列I-V、P-V曲線如圖5、圖6所示。由圖5可知,當(dāng)光照強度不變,隨著溫度的增大,光伏電池陣列開路電壓減小,短路電流略有上升,但變化不大,因此最大功率點也在減小。從圖6可以看出,最大功率呈線性變化。溫度越高,其最大輸出功率越小。由上可知,光伏電池陣列在電壓較低時近似為恒流源,在電壓高時其性能與恒壓源類似,且開路電壓近似同溫度成反比,短路電流近似同日照強度成正比。將光伏電池陣列模型接入如圖7所示的boost電路模型中。設(shè)置boost電路參數(shù),運行并觀測其輸出,輸出電壓電流圖形見圖8、圖9。其紋波較小,符合實際電路要求。仿真結(jié)果表明該光伏陣列電池模型可靠實用。3光伏電池陣列模型仿真通過分析光伏電池內(nèi)部原理及其等效電路,建立其物理數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用MATLAB的Simulink工具構(gòu)建光伏電池陣列的仿真模型。由仿真結(jié)果表明:光伏電池陣列模型輸出基本同實際輸出相似。輸出電壓及電流受光照強度