基于malabsimulink的五參數(shù)光伏模型的研究

一光伏模型的建立自21世紀(jì)以來，將太陽(yáng)能照明設(shè)備用作可再生清潔能源已成為不同國(guó)家的研究熱點(diǎn)。世界上也迅速增加了照明設(shè)備的產(chǎn)量和能力。光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析需將不同環(huán)境狀態(tài)下光伏系統(tǒng)的輸出特性作為參考,制造商所提供的技術(shù)文件通常只包含特定條件(如標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試狀態(tài),輻照度G=1000W/m2,太陽(yáng)電池溫度T=298K,大氣質(zhì)量AM=1.5)下光伏組件的輸出特性,物理實(shí)驗(yàn)既需要實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建又受到測(cè)試時(shí)間及條件的限制,難以得到光伏組件在全工況下的輸出特性。而仿真環(huán)境下能快速而容易地獲得不同工況下光伏組件的輸出特性,仿真模型能提供足夠準(zhǔn)確數(shù)據(jù),并且沒有物理實(shí)驗(yàn)的諸多限制,因此,光伏模型的建立一直受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注[1～4]。常用的光伏電池模型有四參數(shù)太陽(yáng)電池模型、五參數(shù)太陽(yáng)電池模型及雙二極管光伏電池模型。其中四參數(shù)模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、求解快速,但準(zhǔn)確度較低,在低光照情況下會(huì)出現(xiàn)較大誤差。雙二極管模型在五參數(shù)模型的基礎(chǔ)上增加一個(gè)二極管用以表征載流子在耗散區(qū)的復(fù)合損失,該模型能全面表征光伏電池特性,但所需求解參數(shù)為七個(gè)甚至更多,這使其求解極為困難,通常需進(jìn)行若干假設(shè)減少所需求解參數(shù)才能對(duì)其求解。五參數(shù)模型因其準(zhǔn)確度高并且求解速度適中而成為太陽(yáng)電池模型中使用最廣泛的經(jīng)典模型,這種太陽(yáng)電池模型含有等效串聯(lián)電阻、二極管反向飽和電流、光生電流、二極管理想因子和等效并聯(lián)電阻五個(gè)待解參數(shù),確定這五個(gè)待解參數(shù)后,就可根據(jù)五參數(shù)模型得到光伏電池的輸出特性曲線,進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)電池性能進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)也有許多研究人員建立了太陽(yáng)電池的工程用數(shù)學(xué)模型,但由于這些模型通常忽略了光伏電池的等效串聯(lián)電阻和等效并聯(lián)電阻,使得其模型與實(shí)際模型偏差很大,再加上求解時(shí)所作的假設(shè)使模型的精確度不高,通常只能控制在6%以內(nèi)。本文基于光伏制造商提供的技術(shù)文件來提取計(jì)算用初始參數(shù),采用五參數(shù)模型得到光伏陣列特性曲線。該模型所需初始參數(shù)均可簡(jiǎn)單直觀地從制造商的文件中獲取,同時(shí)避免了如文獻(xiàn)、中提取短路電流點(diǎn)斜率與開路電壓點(diǎn)斜率這兩個(gè)難以準(zhǔn)確提取的參數(shù),以避免因其參數(shù)提取不準(zhǔn)而造成模型準(zhǔn)確度下降。該模型在太陽(yáng)電池及參考狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了太陽(yáng)電池到光伏陣列、參考狀態(tài)到全工況運(yùn)行狀態(tài)的擴(kuò)展,使其具有廣泛的適用性。本文基于該五參數(shù)模型在Matlab/Simulink平臺(tái)中建立了模塊,然后通過仿真實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)中建立的四參數(shù)模型進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性及通用性。二光伏陣列模型的擴(kuò)展1太陽(yáng)電池仿真模型五參數(shù)光伏模型等效電路如圖1所示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中,Iph為太陽(yáng)電池的光生電流,A;ID為通過二極管的電流,A;Iph為通過并聯(lián)電阻的電流A;I0為二極管的反向飽和電流,A;Rs為太陽(yáng)電池等效串聯(lián)電阻,?;RP為光伏電池等效并聯(lián)電阻,?;n為二極管的理想因子;為太陽(yáng)電池?zé)犭妷?V,其中k為波爾茲曼常數(shù),k=1.381×10-23J/K,q=1.602×10-19C為電子電荷量,T為太陽(yáng)電池溫度,K。為方便書寫與計(jì)算,記N=nVt為修正二極管理想因子。本文采用太陽(yáng)電池特性曲線上具有代表性的點(diǎn)來求解方程(1),以獲得太陽(yáng)電池特性曲線,這些點(diǎn)為某一環(huán)境狀態(tài)下太陽(yáng)電池的短路電流點(diǎn)(I=Isc,V=0)、開路電壓點(diǎn)(I=0,V=Voc)和最大功率點(diǎn)(I=Imp,V=Vmp)。在短路電流點(diǎn)處:所以可得:通?？烧J(rèn)為太陽(yáng)電池所受光照是均勻統(tǒng)一的,但對(duì)于光伏陣列,可能由于部分遮擋等其他原因而造成太陽(yáng)電池所受的光照并不均勻統(tǒng)一而導(dǎo)致式(2)失效,這種情況應(yīng)給予特殊考慮。在開路電壓點(diǎn)處:在最大功率點(diǎn)處:所以可得:在最大功率點(diǎn)處,功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零,即可以得出:在短路電流點(diǎn),電流對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)等于并聯(lián)電阻的負(fù)倒數(shù),即,可以得出:將式(3)代到Xmp、Xsc,則可得:將式(3)代到式(4)可得:聯(lián)立式(5)、(6)、(7)可求得參數(shù)Rs、Rp、N,再將其代入式(3),即可求得I0,至此五個(gè)待解參數(shù)均已獲得。2從太陽(yáng)電池到光伏陣列的仿真模型擴(kuò)展單個(gè)太陽(yáng)電池所能輸出的電壓及功率很小,實(shí)際應(yīng)用中是將具有相同輸出特性的太陽(yáng)電池串并聯(lián)獲得具有一定輸出特性的模塊或陣列后再進(jìn)行應(yīng)用。實(shí)際工程中,一個(gè)光伏系統(tǒng)通常只使用一個(gè)規(guī)格的光伏陣列,因?yàn)槿缡褂貌煌?guī)格的光伏陣列,很可能會(huì)造成功率損失及逆變過程出現(xiàn)困難甚至故障。所以本文的模型擴(kuò)展是基于太陽(yáng)電池與光伏陣列均為同一規(guī)格進(jìn)行的。若干太陽(yáng)電池串聯(lián)在一起組成一個(gè)光伏模塊,光伏模塊模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式可在太陽(yáng)電池模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式上進(jìn)行修改獲得:其中,Ns為一個(gè)光伏模塊所串聯(lián)的太陽(yáng)電池?cái)?shù)。若干光伏模塊再通過串、并聯(lián)組合成一個(gè)光伏陣列,以達(dá)到需要的電壓和電流輸出。光伏陣列模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:其中,Ns為光伏陣列中串聯(lián)太陽(yáng)電池的個(gè)數(shù);Np為光伏陣列光伏組件并聯(lián)數(shù)。容易得知,如將Ns、Np隱含在相應(yīng)的參數(shù)中,即,式(8)、(9)就與式(1)一致,并且表達(dá)簡(jiǎn)捷,易于理解。3全工況條件下五個(gè)參數(shù)的確定當(dāng)光伏陣列所處工況發(fā)生變化時(shí),所求解的五個(gè)參數(shù)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化,參考文獻(xiàn)并作出合理修正,得到在相應(yīng)工況下五個(gè)參數(shù)的確定方法如下:I0由式(3)確定其中,下標(biāo)ref表示參考狀態(tài),一般將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試狀態(tài)定為參考狀態(tài),即Tref=298K;Gref=1000W/m2,M表示電壓在輻照度變化時(shí)所需修正系數(shù),其中Voc,200為光伏陣列在G=200W/m2時(shí)的開路電壓;a為短路電流溫度系數(shù),A/K;b為開路電壓溫度系數(shù),V/K。光伏陣列模型的具體計(jì)算過程為:(1)由制造商提供的技術(shù)文件獲得Isc,ref、Voc,ref、Imp,ref、Vmp,ref。(2)由式(2)、(3)、(5)、(6)、(7)聯(lián)立迭代計(jì)算出參考狀態(tài)下的Iph,ref、Nref、Rs,ref、Rp,ref和Io,ref。(3)根據(jù)實(shí)際輻照度及太陽(yáng)電池溫度,由方程式(10)～式(14)和式(3)計(jì)算出全工況下用于求解光伏特性的五個(gè)參數(shù)Iph、N、Rs、Rp和Io。(4)將五個(gè)參數(shù)代入式(1)中,求解不同負(fù)載電壓V下所對(duì)應(yīng)的輸出電流I。三建立光伏陣列仿真模塊基于上述數(shù)學(xué)模型,本文在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了光伏陣列的仿真模塊(圖2)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示,其中圖3的模塊用于計(jì)算在不同太陽(yáng)輻射及溫度下的五個(gè)參數(shù),圖4的模塊用于計(jì)算在負(fù)載電壓下光伏陣列的輸出電流和輸出功率。四太陽(yáng)電池特性分析本文采用Kyocera生產(chǎn)的型號(hào)為KC175GHT-2的光伏陣列對(duì)所建光伏陣列模型進(jìn)行驗(yàn)證,從該光伏陣列的技術(shù)文件中提取所需參數(shù)如表1所示。本文用所建立的五參數(shù)模型與Vengatesh等建立的四參數(shù)模型及制造商所提供的太陽(yáng)電池特性曲線進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證其準(zhǔn)確度。在T=298K時(shí),不同輻照度下的光伏特性曲線對(duì)比如圖5所示。從圖5及表2、表3可知,本文所建模型在輻照度變化的情況下仍具有很高的準(zhǔn)確度,最大功率偏差在1%以下,開路電壓偏差在0.5%以下。四參數(shù)模型在隨輻照度下降時(shí),最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)功率及開路電壓的偏差都越來越大。在G=1000W/m2時(shí),不同太陽(yáng)電池溫度下的光伏特性曲線對(duì)比如圖6所示。從圖6、表4可知,本文所建模型在輻照度不變而溫度發(fā)生變化時(shí),模型最大功率偏差在1%以下,最大功率點(diǎn)電壓偏差在0.5%以下。四參數(shù)模型在輻照度不變而溫度發(fā)生變化時(shí),模型的準(zhǔn)確度也很好。五模型參數(shù)提取模塊本文基于光伏制造商提供的技術(shù)文件來提取計(jì)算用初始參數(shù),采用五參數(shù)光伏模型在Matlab/Simulink平臺(tái)建立該模型的計(jì)算模塊。該模型所需初始參數(shù)均可簡(jiǎn)單直觀地從制造商文件中獲取,同時(shí)避免了提取短路電流點(diǎn)斜率與開路電壓點(diǎn)斜率這兩個(gè)難以準(zhǔn)確提取的參數(shù),以避免因其參數(shù)提取不準(zhǔn)確而造成模型準(zhǔn)確度下降。該模型在太陽(yáng)電池及參考狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了太陽(yáng)電池到太陽(yáng)陣列、參考狀態(tài)到全工況運(yùn)行狀態(tài)的擴(kuò)展,使得該模型具有廣泛的適用性。通過與制造商技術(shù)數(shù)據(jù)及一種四參數(shù)模型的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,該模型具