基于MATLAB 的光伏電池簡化模型仿真

2019-08-23 09:23:26何文濤譚譜林

通信電源技術 2019年7期

何文濤，譚譜林

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430052）

0 引言

環境問題日益突出，光伏發電的清潔、環保等諸多優點已經在工程實踐中體現得淋漓盡致。作為討論的熱點[1]，以中國為首的很多國家都相繼出臺了光伏發電的相關政策，以保障光伏行業全面、穩定以及高效的發展[2]。

1 光伏電池使用數學模型

光伏電池使用數學模型為：

其中，Iph為光伏陣列電流；I0為反向飽和電流；q為電子電荷，即1.6×10-19C；n為二極管因子；K為玻耳茲曼常數，即1.38×10-23J/K；Rs為串聯電阻；Rsh為并聯電阻。理論模型中的參數Iph、I0、Rs、n很難確定，工程應用困難。圖1為太陽能電池的等效電路。

圖1 太陽能電池等效電路

1.1 工程模型

標準測試條件，S＝1 000 W/m2，T＝25 ℃。光伏電池的工程數學模型為[3]：

與實際環境存在偏差，修正參數如下：

式中，a=0.002 5和c=0.15為溫度補償系數，b=0.000 288為光強補償系數。標準太陽光照強度Sref為1 000 W/m2，標準電池溫度Tref為25 ℃；任意環境溫度Tair，單位為℃；電池溫度系數K=0.3；太陽光照強度S，單位為W/m2。

2 光伏電池Matlab/Simulink建模仿真

通過式（1）～式（11）直接編寫M函數，不僅系統簡單直觀、操作界面簡單、參數修改與維護方便，而且為設計人員的代碼交流提供了便利和重復使用的優勢。

本文選擇典型的Solarex MSx60 60 W光伏陣列，標準測試條件下，光強Sref=1 000 W/m2，溫度Tref=25 ℃。最大功率Pm=59.9 W，峰值電流Im=3. A，峰值電壓Um=17.1 V，短路電流Isc=3.74 A，開路電壓Uoc=21 V[4]。仿真模型圖2所示。

圖2 中，Ramp為斜坡函數，模擬光伏電池的輸出電壓。利用編寫的M文件，通過仿真可以獲得不同條件下的I-U特性曲線和P-U特性曲線，分別如圖3～圖6所示。

圖3 溫度一定不同光照P-U曲線

圖4 溫度一定不同關照I-U曲線

圖3 中能看到，T=25 ℃、S=1 000 W/m2時，在大部分時間里，電壓升高，功率成比例升高，電壓增大到某一數值，電池功率達到最大值Pm，即60 W左右，對應的峰值電壓Um在17 V附近，開路電壓在21 V。此后，隨著電壓的增加，功率不斷下降。最大功率隨光強的下降而下降，但開路電壓下降卻很小[5]。

圖4中短路電流的值隨著光照強度的下降而不斷下降，近似把光伏電池看作非線性直流電源，輸出電流在大部分時間保持不變，當電壓增加到一定值時，迅速減小。

圖5、圖6中，光照強度為1 000 W/m2，最大功率點的下降伴隨著溫度的上升，下降的比例相較相同溫度下、不同光照時不大。最大功率點對應的電壓值也在不斷變化，即成比例增加。圖6中，隨著溫度的變化特別是升高時，會發現短路電流的值變化非常小，開路電壓卻隨著溫度的變化不斷下降[6]。

圖5 光照一定不同溫度P-U曲線

圖6 光照一定不同溫度I-U曲線

結論：溫度不變、同樣的光照條件下，光伏電池能達到最大功率值；對比光伏電池在自身溫度變化時產生的影響而言，光照強度的變化對光伏電池的輸出功率會產生更大的影響。

3 最大功率跟蹤建模仿真

最大功率點跟蹤控制方法[7]，常規的有恒定電壓法、擾動干擾法、電導增量法以及模糊控制法等。本文采用擾動干擾法，即MPPT方法，流程如圖7所示。

圖7 擾動觀察法流程圖

仿真中用直流變換電路和Boost升壓電路，如圖8所示。

中占空比：

輸出電壓：

通過之前編寫的M函數，搭建具有MPPT功能的光伏系統仿真圖[8-10]，如圖9所示。圖9中電感L取值30 μH，電容C取值280 μF，電容C1=780 μF，電阻值為100 Ω。設置仿真時間為1 s，采用標準光照強度1 000 W/m2，標準溫度25 ℃。

圖8 Boost變換器電路

由圖10可以看出，擾動步長的變化對光伏系統最大功率追蹤影響很大。當步長取值為0.02時，因為步長本身取值較大，約在0.07 s時就能較快地跟蹤到最大功率點。雖然能較快跟蹤到最大功率點，但是在到達最大功率點附近時產生的波動和能量消耗比較嚴重。圖11中，通過重新選取新的步長0.001，可直觀看到跟蹤到最大功率點的時間明顯加長，達到0.78 s，但同選取步長為0.02時相比，此時在追蹤的最大功率點處跟蹤平滑，最大功率處的波動明顯減少，且能量損耗減少。

既要動態性能好又要穩定性好，綜合考慮后選取步長為0.003，如圖12所示，動、穩態性能都比較理想。