PSCAD光伏電池仿真模型

楊博文， 王 蔚， 張 鑫

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

隨著社會(huì)進(jìn)步和工業(yè)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)力發(fā)展水平也在逐漸進(jìn)步。然而隨之而來(lái)存在許多問(wèn)題，如森林的大肆砍伐、化石燃料的過(guò)度開(kāi)發(fā)等。隨著這些問(wèn)題的日益突出，尋找可再生的新能源尤為重要，光伏發(fā)電正好符合要求。光伏發(fā)電具有可再生、易存儲(chǔ)、無(wú)污染,發(fā)電、供電、用電在同一地區(qū)等特點(diǎn)。基于上述諸多特點(diǎn)，光伏電池的研發(fā)、市場(chǎng)化受到全球各個(gè)國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的關(guān)注。

在電力系統(tǒng)中，建立符合光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性仿真模型，在后續(xù)光伏發(fā)電系統(tǒng)研究中具有十分重要的參考價(jià)值。

1 光伏陣列的數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能電池等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

由圖1可知，根據(jù)基爾霍夫定律

I=Iph-Id-Ish,

(1)

則

(2)

式中：Rsh——并聯(lián)電阻；

I——輸出電流；

Iph——光生電流；

I0——飽和電流；

q——單位電子常量；

A——PN結(jié)曲線系數(shù)；

k——波爾茲曼常數(shù)；

T——電池溫度；

U——輸出電壓；

Rs——串聯(lián)電阻。

2 光伏陣列模型的建立與仿真

光伏電池仿真模型如圖2所示。

圖2 光伏電池仿真模型

光伏電源由兩個(gè)串聯(lián)的光伏陣列原件構(gòu)成，研究光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池曲線的影響也要考慮到無(wú)光照情況，所以該模型對(duì)第1個(gè)陣列設(shè)置陰影遮擋，第2個(gè)光伏陣列模塊模擬10個(gè)陣列。光伏陣列的輸出通過(guò)電阻跟直流電源相連，其中二極管抑制功率反向。

直流電壓源是用直流疊加1 Hz的交流分量構(gòu)成進(jìn)行模擬。

光伏陣列1和2的參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 光伏陣列參數(shù)設(shè)置

2.1 無(wú)陰影遮擋時(shí)仿真情況

光伏陣列1和2的溫度都設(shè)置為50 ℃，光照強(qiáng)度分別設(shè)置為600 W/m2和900 W/m2時(shí)得到的輸出I-V和P-V曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 溫度50 ℃，光照600 W/m2特性曲線

圖5 溫度50 ℃，光照900 W/m2特性曲線

為了研究溫度對(duì)光伏輸出特性的影響，光伏陣列1和2的溫度都設(shè)置60 ℃，光照強(qiáng)度分別設(shè)置為600 W/m2和900 W/m2時(shí)得到的輸出I-V和P-V曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 溫度60 ℃，光照600 W/m2特性曲線

圖7 溫度60 ℃，光照900 W/m2特性曲線

從圖4～圖7可知，當(dāng)溫度相同，光照強(qiáng)度增大時(shí)，陣列短路電流增大較為明顯，開(kāi)路電壓增加不明顯，陣列輸出功率會(huì)有明顯變化。

2.2 有陰影遮擋時(shí)仿真情況

有無(wú)陰影遮擋影響的是光照強(qiáng)度，設(shè)置兩組陣列的溫度都為50 ℃，陣列2的光照強(qiáng)度是800 W/m2，陣列1的光照強(qiáng)度分別為陣列2的60%和100%，同時(shí)保持兩個(gè)陣列的反向并聯(lián)二級(jí)管不投入。得到下列幾組光伏輸出特性曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 溫度50 ℃，陣列2光照強(qiáng)度為800 W/m2，陣列1光照強(qiáng)度為陣列2的60%特性曲線

圖9 溫度50 ℃，陣列2光照強(qiáng)度為800 W/m2，陣列1光照強(qiáng)度為陣列2的100%特性曲線

2.3 有陰影有反向并聯(lián)二級(jí)管參與情況下的仿真

設(shè)置陣列溫度為50 ℃，陣列2的光照強(qiáng)度是800 W/m2，陣列1的光照強(qiáng)度為陣列2的60%，同時(shí)保持兩個(gè)陣列反向并聯(lián)二級(jí)管投入,得到光伏輸出特性曲線如圖10所示。

圖10 溫度50 ℃，陣列2光照強(qiáng)度為800 W/m2，陣列1光照強(qiáng)度為陣列2的60%特性曲線

圖10是圖8在同等條件下但有反向并聯(lián)二級(jí)管情況下的輸出特性曲線。在有反向并聯(lián)二級(jí)管的條件下，陣列的短路電流和輸出功率比無(wú)反向并聯(lián)二級(jí)管大。說(shuō)明同時(shí)有陰影遮擋的情況下，反向并聯(lián)二級(jí)管起到了一定的作用。主要原因是無(wú)反向并聯(lián)二級(jí)管時(shí)被遮擋的陣列將出現(xiàn)反向電壓，從而消耗了功率，導(dǎo)致輸出功率變小。

3 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用pscad仿真軟件搭建了光伏陣列數(shù)學(xué)模型。該模型分析了光伏陣列的P-V和I-V非線性特性。經(jīng)比較分析，光伏電池陣列模型輸出符合實(shí)際陣列輸出特性，電流、輸出電壓與光照強(qiáng)度和溫度特性關(guān)系曲線符合實(shí)際。該模型為光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真提供基本參考模型，為后續(xù)控制方法驗(yàn)證提供基礎(chǔ)條件。