基于PSIM的光伏矩陣MPPT通用模型的設計與應用
摘要:基于光伏矩陣的物理特性,在PSIM仿真環境下,設計帶有最大功率跟蹤技術(MPPT)仿真算法的光伏矩陣仿真模型,應用于實際的單相光伏并網系統。測試數據表明,仿真模型可以模擬任意參數的光伏陣列,跟蹤光照強度、環境溫度的變化,為光伏發電系統動態仿真提供良好設計平臺。 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 parameters of the photovoltaic module, and tracking any light intensity and ambient temperature. And that it can be used as a design platform for the dynamic emulation of the photovoltaic systems. 關鍵詞:光伏矩陣;PSIM仿真模型;MPPT;光伏發電系統 Keywords:photovoltaic array;PSIM simulation model;MPPT;photovoltaic generation system; 中圖分類號: TM615 文獻標識碼: A 1 引言 太陽能光伏發電系統是利用太陽電池半導體材料的光伏效應,將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統。由于成本高,計算機仿真技術成為研究這類系統的有效手段。實際情況下太陽光輻射強度不穩定,光伏電池特性容易受環境溫度等因素影響,僅僅依靠準穩態理論建立的模型不能反應當太陽能輻射強度、環境溫度變化時,光伏電站瞬態變化以及這種變化對電網的影響[1]。這就需要建立光伏電站的動態仿真模型。光伏陣列是分布式光伏并網電站系統的關鍵部件,其I-V 特性是太陽輻射強度環境溫度和光伏模塊參數的非線性函數。實現光伏發電系統的動態仿真,就要對做為輸入電源的光伏陣列特性進行仿真建模。 光伏發電系統仿真軟件主要有MATLAB和PSIM。MATLAB提供多種仿真工具箱,能夠清楚了解電路的數學模型并對系統進行各種動態分析,但它無法直接與硬件連接,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軟件是近年來推出的一種功能強大、專門針對電力電子和自動控制建模、仿真的專業軟件,能夠提供友好的用戶界面,包含豐富的控制元件庫和強大的數學運算模型,可以將其他仿真軟件,如MATLAB軟件中的元件轉化成通用數學模型。與MATLAB軟件相比較,仿真算法采用梯形公式積分演算的節點解析法,極大提高仿真速度,仿真結果的分析處理方式靈活[2]。系統模型的功率回路和控制回路分開設計,不會產生MATLAB軟件仿真代數環問題。利用PSIM進行電力電子控制系統建模、分析與開發研究已經受到日益廣泛的關注。 建立光伏陣列數學模型一般有三類方法[3-5],在比較上述兩種仿真軟件建模方法的基礎上選用PSIM仿真軟件,考慮實際系統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通用仿真模型,描述光伏電池特性并模擬外界環境變化。
2 光伏矩陣數學模型 光伏電池I-V特性與太陽輻射強度S和光伏電池溫度T有極大關系,即I=f(U,S,T)。采用單結晶硅為材料的光伏電池電路原理如圖1 所示[6]。
Rsh為考慮載流子產生與復合以及沿電池邊緣的表面漏電流而設計的等效并聯電阻,Rs為擴散頂區的表面電阻、電池體電阻及上下電極之間的歐姆電阻等復合得到的等效串聯電阻。 圖1的太陽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是流過二極管電流;Ish是光伏模塊漏電流。 根據電子學理論,由材料物理特性決定的理想二極管太陽能電池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;k——波茲曼常數;TC——太陽能電池溫度;T0——絕對零度;T——外界溫度。 當太陽電池處于開路狀態時,開路電壓
(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——太陽電池模塊溫度系數;TCref——參考條件下的基準溫度;Sref——參考條件下的光照強度。 在一定的參數范圍內,理想光伏電池等效串聯電阻Rs很小,等效并聯電阻Rsh很大,一般工程應用中可忽略不計[7],公式(5)簡化成:
(6) 綜合上述推導過程,光伏陣列的數學模型(6)反應出光伏電池受溫度影響,和光照強度成正比,輸入電流和輸出電壓之間呈現明顯的非線性特性,因此可以用該模型模擬外界條件變化對光伏電池特性的影響,能準確反應物理特性,具有較高的仿真精度。
3 光伏矩陣最大功率跟蹤數學模型
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用 根據公式(6)~(10)考慮MPPT仿真算法,利用PSIM軟件仿真功能設計光伏陣列通用仿真模塊。圖2是光伏陣列仿真模型內部結構,其中光伏矩陣模型和實時迭代MPPT算法均為PSIM提供的DLL控件采用C編程,實時求解任意太陽輻射、環境溫度下對應的最大功率點電壓、電流值。算法編寫過程設置Switch,系統根據是否帶有MPPT輸出電流可以是Im或是對應V的實際陣列電流Iout,便于系統的動態調試、觀測。模型子系統中T、S為實際環境溫度、太陽輻射強度,U 、U-為光伏陣列輸出電壓,Vm、Im為光伏陣列最大功率點電壓、電流,內部參數Voc、Isco、Rsh、Rs等可以根據廠家提供的技術數據修改。
上述模型是根據電子學理論構建的,能夠模擬外界環境溫度、光照強度變化對PV電池特性的影響,參數可以模擬實際光伏電池,同時兼顧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系統的動態仿真。系統輸入電源采用上述光伏陣列模塊;利用PSIM模型庫提供的元器件構成逆變單元;其中PDF.dll控件是采用C編寫的具有參數自尋優的偽微分結構(PDF—&m

提交
超越傳統直覺,MATLAB/Simulink助力重型機械的智能化轉型
新大陸自動識別精彩亮相2024華南國際工業博覽會
派拓網絡被Forrester評為XDR領域領導者
智能工控,存儲強基 | 海康威視帶來精彩主題演講
展會|Lubeworks路博流體供料系統精彩亮相AMTS展會