郭 立，晁 勤，袁鐵江，吐爾遜.伊不拉音，袁建黨

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是運用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將光照輻射的能量直接轉換為電能的一種新型能源發(fā)電系統(tǒng)。由于光伏電池成本較高，實際實驗困難，所以計算機模擬仿真成為研究這類領域的主要方式［1］。在實際情況中，光照強度不穩(wěn)定，同時太陽能電池易受外界溫度等因素影響，因此需要對光伏陣列特性進行建模，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)仿真。

搭建光伏陣列數(shù)學模型總體上有3種思路:(1)是將光伏陣列直接看成直流電壓源，該方法雖然簡易，卻不能反映光照強度、外界溫度變化及光伏陣列參數(shù)的變化，即不能反映光伏陣列隨外界條件變化的特性;(2)是使用光伏陣列I-V外特性，對相應的參數(shù)修正擬合，從而使得該模型特性近似接近于實際光伏陣列，但對于光照強度、環(huán)境溫度等參數(shù)的設定較為復雜;(3)是根據(jù)光伏電池本身的物理特性提出光伏陣列數(shù)學模型，即環(huán)境條件的變化與光伏陣列其內部特性的關系式，該模型的建立需要大量的實驗和時間，且十分復雜和困難。因國內外所研究的光伏模型具有針對性和局限性，所以不具備一定的通用性。

基于Matlab/Simulink仿真軟件，根據(jù)光伏工程數(shù)學模型，搭建光伏陣列仿真模型，采用廠家所提供的光伏電池參數(shù)，并能模擬外界環(huán)境的變化模擬其特性的影響。

1 光伏工程數(shù)學模型

任意太陽光照強度G(W·m-2)和環(huán)境溫度Ta(℃)條件下，太陽能電池溫度Tc(℃)為

式中，tc由試驗測得大量數(shù)據(jù)取為0.03℃m2/W。

設在參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開路電壓，Im、Vm為最大功率點電流和電壓，則當光伏陣列電壓為V，其對應點電流I為

考慮太陽輻射變化和溫度影響時，

式中，Gref、Tref分別為太陽輻射和電池溫度參考值，一般分別取1 kW/m2和25℃;α為在參考日照下的電流變化溫度系數(shù)，Amps/℃;β參考日照下的電壓變化溫度系數(shù)，V/℃;Rs為光伏陣列的串聯(lián)電阻。

2 光伏陣列最大功率跟蹤控制

在一定的環(huán)境溫度和光照強度下，光伏電池有唯一的最大功率點，當太陽電池工作在該點時，能輸出當前溫度和日照條件下的最大功率。恒定電壓控制(CVT)由于在日照強度較高時，大多數(shù)太陽能電池板的最大功率點位于其開路電壓的(78±2)%處［5］，從而簡化了MPPT的控制設計，且考慮外界溫度和光照強度對開路電壓及短路電流的影響。

當日照強度和電池溫度均有變化時，重新計算Voc-new為

式(10)中，系數(shù)α，c采用典型值:α=0.0025℃;c=0.00288℃;k=0.76～0.80;系數(shù)b使用優(yōu)化后的參數(shù)值:b=-0.1949+7.056×10-4×G;Vref為工作在最大功率點時輸入給定電壓;k為MPPT恒壓控制調節(jié)系數(shù)。

3 光伏陣列仿真模型

依據(jù)光伏電池工程數(shù)學模型，在Matlab/Simulink環(huán)境下，搭建了光伏陣列的仿真模型，如圖1所示。

圖1 光伏陣列的仿真模型況

圖2 最大功率點控制封裝模型

最大功率點控制模型如圖2示，采用恒電壓控制，考慮了外界條件變化對開路電壓和短路電流的影響，從而使得模型更加精確。

運用Simulink封裝技術將模型進行封裝處理［3］，如圖 3 示。

圖3 光伏陣列的封裝仿真模型

由廠家Kyocera Corporation提供型號為KC40T-1(多晶)的參數(shù)如表1所示，將廠家參數(shù)設置于模型用戶參數(shù)設置界面中，如圖4所示。同時還可設定外界溫度、光照強度、串并聯(lián)方式等參數(shù)來模擬仿真光伏I—V、P—V特性曲線。

圖4 光伏陣列模型用戶參數(shù)設置界面

表1 KC40T-1(多晶)的參數(shù)表

使用該模型模擬外界條件的變化下的光伏I—V、P—V特性曲線，由曲線圖5可知當環(huán)境溫度一定時，光照強度降低，光伏陣列的短路電流和功率也隨之下降，而對光伏陣列的開路電壓影響較小;由曲線圖6可知當光照強度一定時，隨著環(huán)境溫度的降低，光伏陣列的開路電壓和功率升高，卻對光伏陣列的短路電流幾乎沒有影響。

圖5 25℃，不同光照強度下的I—V和P—V特性曲線

圖6 1 kW/m2，不同環(huán)境溫度下的I—V和P—V特性曲線

在環(huán)境溫度一定時，曲線圖7表示，不同的光照強度下光伏陣列功率輸出，在t=12 s時刻，光照強度由0.8 kW/m2變化為1 kW/m2，輸出功率上升為45 W;在t=16 s時刻，光照強度變化為0.9 kW/m2，光伏陣列輸出功率下降。圖8則表示，在光照強度一定時，由不同的環(huán)境溫度下光伏陣列功率輸出曲線可知，分別在t=12 s和t=16 s時刻，外界溫度變化為30℃和20℃，功率輸出發(fā)生了相應的變化，同時該模型能夠有效、快速地跟蹤最大功率點。

圖7 不同光照強度下的光伏陣列功率輸出曲線

圖8 不同環(huán)境溫度下的光伏陣列功率輸出曲線

4 結論

依據(jù)光伏電池的工程數(shù)學模型，并結合最大功率跟蹤數(shù)學模型，搭建了光伏陣列Matlab通用仿真模型。由廠家提供給定型號和參數(shù)，該模型就能夠模擬各種外界條件組合下的I—V及P—V特性曲線，從而也驗證了光伏陣列是一個與許多參量相關的高度非線性電源。MPPT恒壓控制簡單易行，仿真時間較短，能夠迅速、準確地動態(tài)跟蹤。仿真計算表明，該光伏陣列模型可以動態(tài)跟蹤外界溫度、光照強度等參數(shù)地變化，從而為光伏發(fā)電系統(tǒng)研究提供了光伏陣列工程數(shù)學模型依據(jù)和動態(tài)仿真平臺。

［1］馮垛生.太陽能發(fā)電原理與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2007.

［2］孫自勇，宇航，嚴干貴，等.基于PSCAD的光伏陣列和MPPT控制器的仿真模型［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(19):61-64.

［3］茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，17(5):1248-1251.

［5］王長江.基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學模型［J］.電力科學與工程，2009，25(4):11-14.

［6］YUSHAIZAD Y，SITIHS，MUHAMMAD A L.Modeling and Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System［C］.National Power＆ Energy Conference，2004，(29-30):88-03.