Abstract：Based on the physical model of PV array, a simulation model is designed in the PSIM environment, including the simulation arithmetic of Maximum Power Point Tracking (MPPT).It is used for a single-phase grid-connected photovoltaic system. The testing results indicate that this model can simulate any bbbbbeters of the photovoltaic module, and tracking any light intensity and ambient temperature. And that it can be used as a design platbbbb for the dynamic emulation of the photovoltaic systems.
關(guān)鍵詞：光伏矩陣；PSIM仿真模型；MPPT；光伏發(fā)電系統(tǒng)
Keywords：photovoltaic array；PSIM simulation model；MPPT；photovoltaic generation system；
中圖分類(lèi)號(hào)： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
1 引言
太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。由于成本高，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)成為研究這類(lèi)系統(tǒng)的有效手段。實(shí)際情況下太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度不穩(wěn)定，光伏電池特性容易受環(huán)境溫度等因素影響，僅僅依靠準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)理論建立的模型不能反應(yīng)當(dāng)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏電站瞬態(tài)變化以及這種變化對(duì)電網(wǎng)的影響[1]。這就需要建立光伏電站的動(dòng)態(tài)仿真模型。光伏陣列是分布式光伏并網(wǎng)電站系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其I-V 特性是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度環(huán)境溫度和光伏模塊參數(shù)的非線性函數(shù)。實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真，就要對(duì)做為輸入電源的光伏陣列特性進(jìn)行仿真建模。
光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真軟件主要有MATLAB和PSIM。MATLAB提供多種仿真工具箱，能夠清楚了解電路的數(shù)學(xué)模型并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)分析，但它無(wú)法直接與硬件連接，并且仿真速度和效果受到算法的制約，使用有一定的限制。PSIM軟件是近年來(lái)推出的一種功能強(qiáng)大、專(zhuān)門(mén)針對(duì)電力電子和自動(dòng)控制建模、仿真的專(zhuān)業(yè)軟件，能夠提供友好的用戶界面，包含豐富的控制元件庫(kù)和強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算模型，可以將其他仿真軟件，如MATLAB軟件中的元件轉(zhuǎn)化成通用數(shù)學(xué)模型。與MATLAB軟件相比較，仿真算法采用梯形公式積分演算的節(jié)點(diǎn)解析法，極大提高仿真速度，仿真結(jié)果的分析處理方式靈活[2]。系統(tǒng)模型的功率回路和控制回路分開(kāi)設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生MATLAB軟件仿真代數(shù)環(huán)問(wèn)題。利用PSIM進(jìn)行電力電子控制系統(tǒng)建模、分析與開(kāi)發(fā)研究已經(jīng)受到日益廣泛的關(guān)注。
建立光伏陣列數(shù)學(xué)模型一般有三類(lèi)方法[3-5]，在比較上述兩種仿真軟件建模方法的基礎(chǔ)上選用PSIM仿真軟件，考慮實(shí)際系統(tǒng)帶有的最大功率跟蹤MPPT功能，基于光伏矩陣物理模型建立相應(yīng)通用仿真模型，描述光伏電池特性并模擬外界環(huán)境變化。
2 光伏矩陣數(shù)學(xué)模型
光伏電池I-V特性與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度S和光伏電池溫度T有極大關(guān)系，即I=f（U，S，T）。采用單結(jié)晶硅為材料的光伏電池電路原理如圖1 所示[6]。
Rsh為考慮載流子產(chǎn)生與復(fù)合以及沿電池邊緣的表面漏電流而設(shè)計(jì)的等效并聯(lián)電阻，Rs為擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池體電阻及上下電極之間的歐姆電阻等復(fù)合得到的等效串聯(lián)電阻。
圖1的太陽(yáng)能光伏電池等效電路得出： I = IL- ID - Ish (1)
其中：I是光伏模塊輸出電流；IL是光生電流；ID是流過(guò)二極管電流；Ish是光伏模塊漏電流。
根據(jù)電子學(xué)理論，由材料物理特性決定的理想二極管太陽(yáng)能電池I-V特性為：
（2）
（3）
式中 V——光伏模塊輸出電壓；ID0——二極管反相飽和電流；q——電荷電量；n——二極管性能指數(shù)；k——波茲曼常數(shù)；TC——太陽(yáng)能電池溫度；T0——絕對(duì)零度；T——外界溫度。
當(dāng)太陽(yáng)電池處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí)，開(kāi)路電壓
（4）
由公式(1) ～ (4) 得：
（5）
其中
：
；
式中 ISCref——參考日照、溫度下的短路電流；ht——太陽(yáng)電池模塊溫度系數(shù)；TCref——參考條件下的基準(zhǔn)溫度；Sref——參考條件下的光照強(qiáng)度。
在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，理想光伏電池等效串聯(lián)電阻Rs很小，等效并聯(lián)電阻Rsh很大，一般工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)[7]，公式（5）簡(jiǎn)化成：
（6）
綜合上述推導(dǎo)過(guò)程，光伏陣列的數(shù)學(xué)模型（6）反應(yīng)出光伏電池受溫度影響，和光照強(qiáng)度成正比，輸入電流和輸出電壓之間呈現(xiàn)明顯的非線性特性，因此可以用該模型模擬外界條件變化對(duì)光伏電池特性的影響，能準(zhǔn)確反應(yīng)物理特性，具有較高的仿真精度。
3 光伏矩陣最大功率跟蹤數(shù)學(xué)模型
將Vmax代入公式(6)得Imax，于是最大功率Pmax可由下式求得： （10）
4 光伏矩陣仿真通用模型及應(yīng)用
根據(jù)公式（6）~（10）考慮MPPT仿真算法，利用PSIM軟件仿真功能設(shè)計(jì)光伏陣列通用仿真模塊。圖2是光伏陣列仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中光伏矩陣模型和實(shí)時(shí)迭代MPPT算法均為PSIM提供的DLL控件采用C編程，實(shí)時(shí)求解任意太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓、電流值。算法編寫(xiě)過(guò)程設(shè)置Switch，系統(tǒng)根據(jù)是否帶有MPPT輸出電流可以是Im或是對(duì)應(yīng)V的實(shí)際陣列電流Iout，便于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)試、觀測(cè)。模型子系統(tǒng)中T、S為實(shí)際環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，U+、U-為光伏陣列輸出電壓，Vm、Im為光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓、電流，內(nèi)部參數(shù)Voc、Isco、Rsh、Rs等可以根據(jù)廠家提供的技術(shù)數(shù)據(jù)修改。
上述模型是根據(jù)電子學(xué)理論構(gòu)建的，能夠模擬外界環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度變化對(duì)PV電池特性的影響，參數(shù)可以模擬實(shí)際光伏電池，同時(shí)兼顧MPPT仿真算法，所以該模型具有較高的靈活性和仿真精度。
將帶有通用MPPT算法的光伏陣列仿真模塊封裝后，用于圖3所示的單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)輸入電源采用上述光伏陣列模塊；利用PSIM模型庫(kù)提供的元器件構(gòu)成逆變單元；其中PDF.dll控件是采用C編寫(xiě)的具有參數(shù)自尋優(yōu)的偽微分結(jié)構(gòu)（PDF——Pseudo-derivative Feedback）的調(diào)節(jié)器，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化調(diào)節(jié)器參數(shù)，提高響應(yīng)迅速，有效改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗擾性[8]。
針對(duì)某一光伏電池組件參數(shù)：內(nèi)部串聯(lián)電阻Rs= 0. 24Ω，內(nèi)部并聯(lián)電阻Rsh= 260Ω，二極管系數(shù)n= 1. 11，開(kāi)路電壓Voc= 21. 0V，短路電流Isc= 2.74A。在標(biāo)準(zhǔn)溫度T=25℃下，不同太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度下光伏系統(tǒng)輸出功率變化情況如圖4所示。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化時(shí)，并網(wǎng)電流能有效跟隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化。在1.30s 和2.00s 時(shí)，光照強(qiáng)度分別從1200W/m2降低到1000W/m2和800W/m2，光伏陣列輸出功率為對(duì)應(yīng)光照下最大功率點(diǎn)的輸出。
圖5為逆變器輸出電流隨太陽(yáng)輻射變化情況，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小時(shí)，逆變器輸出電流隨之減小。系統(tǒng)采用參數(shù)自尋優(yōu)PDF調(diào)節(jié)器，所以電流也能很快跟隨光輻射強(qiáng)度的變化，動(dòng)態(tài)性能良好。
5 結(jié)論
研究光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)模擬光伏陣列動(dòng)態(tài)特性。光伏陣列特性除了與光伏電池內(nèi)部參數(shù)有關(guān)外，還與環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等外界因素有關(guān)，是一個(gè)多變量高非線性的電源。本文根據(jù)電子學(xué)理論，在一定工程條件下簡(jiǎn)化處理光伏電池物理模型，結(jié)合迭代MPPT仿真算法設(shè)計(jì)光伏矩陣通用仿真模塊應(yīng)用于單相并網(wǎng)系統(tǒng)。仿真測(cè)試表明，該模塊能模擬光電池內(nèi)部物理特性，設(shè)計(jì)不同光伏陣列，跟蹤外界環(huán)境、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等變化，為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤最大功率點(diǎn)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)提供良好平臺(tái)。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 趙為．太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003．
[2] PSIM用戶手冊(cè)[Z]．USA：Powersim Inc．，2007，6．
[3] 沈輝．太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[ M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005．
[4] 趙爭(zhēng)鳴．太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用 [M]．北京：科學(xué)出版社，2005．
[5] 徐鵬威．幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)[J]．西安：電力電子技術(shù)，2007，41(5)：3-5．
[6] 馮垛生．太陽(yáng)能發(fā)電原理與應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2007．
[7] 崔容強(qiáng)．并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．
[8] 趙晶．參數(shù)自尋優(yōu)的偽微分調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]．福建：廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，1，15(1)：31-35．
e-mail地址： ztulipwork@163.com
[作者簡(jiǎn)介] 趙晶（1974—），女（滿），福建福州，講師，碩士，從事自動(dòng)控制理論與技術(shù)研究
[基金項(xiàng)目] 福建省教育廳A類(lèi)科技項(xiàng)目（TA07187）
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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