光伏电池建模及其输出特性研究概要Word文档格式.docx
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光伏电池;
模型;
局部遮挡;
仿真;
输出特性中图分类号:
TM615
文献标志码:
A
文章编号:
2095-2805(2012)05-0078-05
收稿日期:
2012-07-01
作者简介:
钱念书(1987-),男,东北电力大学电气工程学院研究
生,研究方向为:
光伏并网发电,E-mail:
feiniao-
1987@.
刘阔,(1979-),男,主要从事电网运行管理工作,E-mail:
21694331@.
郭建业,(1987-),男,东北电力大学电气工程学院研究生,研究方向为:
光伏并网发电,E-mail:
guo1987225@.
闫星宇,(1987-),男,主要从事线路架设工作,E-mail:
yanxingyu@.
引言
进入21世纪的人类社会正面临着化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面。
随着能源消耗的加剧,逐步改变能源消费结构,大力发展可再生能源,走可持续发展的道路,已成为世界各国的共识[1]。
太阳能是一种洁净的可再生能源,具有取之不尽,用之不竭的特点,是最具有代表性的新能源之一。
近十几年来,随着科学技术的不断提高,太阳能光伏发电及相关产业得到了迅猛发展。
太阳能光伏电池利用光生伏打效应将太阳能直接转变为电能,其转换成电能的多少受光照强度和环境温度的影响,因此,建立通用的太阳能电池模型,研究光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响,是很有必要的。
而实际工作中,光伏电池亦受到局部遮挡及受光照不均匀的影响,本文亦对局部阴影下光伏输出的特性进行研究。
1光伏电池数学模型
太阳能电池是一种通过光生伏打效应而将太阳能光能直接转化为电能的器件,就工作机理而言,它相当于一个半导体光电二极管,当太阳光照射到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能。
单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小,一般其输出电压只有0.45~0.5V,将许多个电池串联或并联起来就可以组成有较大输出功率的太阳能电池方阵。
目前光伏电池的建模方法主要分为物理建模和仿真建模[2]。
物理建模是以理想等效电路为基础,基于光伏组件半导体“光生伏打”及其物理本质建立的,如果采用精确的半导体特性参数建模,该模型的仿真精度很高;
但模型中涉及光伏半导体的光生电流、反向暗电流、PN结系数、禁带宽度能量等半导体参数[3-4],这些参数与电池的电路外特性参数没有对应关系,通过实际测量难以获取,如PN结系数这样的半导体特性参数还与实际产品特性及环境因素有关,通常只有一个模糊的范围。
这些因素在很大程度上降低了物理模型的精准度,使得物理模型对实际电池的模拟存在较大局限性,难以在实际工程以及仿真研究中得到充分应用。
仿真模型又称行为模型,该方法未对电池物理
本质进行描述,而是模拟电池外部特性。
建模时根据电池的短路电流及开路电压等实测参数构建出电池输出特性表达式[5-6],通过物理模型的数学函数来拟合电池输出特性。
光伏电池的输出性能受周围环境温度影响较大,需要结合一定的环境修正参数才能精确表述光伏电池的输出特性。
本文中用于
Matlab建模的简化光伏电池数学模型[7-8]如下:
(1)
(2)
其中:
(3)(4)(5)(6)(7)
式中:
C1,C2为修正系数;
G为太阳辐射值;
Gref
为光伏接收辐射参考值,Gref=1kW/m2
;
Tref为光伏电
池温度参考值,Tref=25℃;
a为短路电流温度系数;
b为开路电压温度系数;
Isc为短路电流;
Voc为开路电压;
Im,Vm为最大功率点的电流,电压;
Rs为光伏组件的串联电阻,它受光伏阵列组件的串联数和并联数影响,一般只有几欧姆。
2光伏电池的建模及仿真
基于上述数学模型,本文在Matlab环境下,利用Simulink工具,并结合编写M函数建立仿真模型。
M函数编写时,电池参数参照DC01-175型单晶
硅光伏组件进行设定,Vm=36.2V,Voc=43.9V,Im=
4.85A,Isc=5.30A,a=0.05,b=-0.35,串联电阻Rs是
表征内部耗电损失大小的一个重要参数,它的存在降低了短路电流和填充因子值,设计时应努力减小,本文取1Ω。
模型建立后,在相同温度不同光照强度下分别进行仿真,取T=25℃,G=800W/m2,G=1000W/m2,
G=1200W/m2;
然后在不同环境温度相同光照强度
下进行仿真,取G=1000W/m2,T=20℃,T=25℃,T=
30℃;
最后对局部遮挡环境下的光伏电池输出特性
进行仿真。
电压输入采用Ramp模块,Slope设为1,仿真时间设为43s。
2.1辐照强度G对光伏电池的影响
辐照强度是影响光伏电池输出功率的一个重要因素。
辐照强度增加,则单位光伏电池面积的输入功率和光生电流密度都将增加,而最佳功率点电压基本不变,因而输出功率增大。
根据设定的仿真参数,得到一组光伏电池的输出电流曲线及输出功率曲线如图1。
G=800W/m2时,最大输出电流I=6.3A,最大输
出功率P=140W左右;
G=1000W/m2时,最大输出电流I=5.2A,最大输出功率P=170W左右;
G=1200
W/m2时,最大输出电流I=6.4A,最大功率P=210W
左右。
仿真结果表明:
光伏电池的输出特性呈非线性,并且每条曲线都有一个最大功率点。
随着日照强度的增强,光伏电池的输出电流和最大输出功率也不断增大,日照强度越大,光伏电池的输出电能就越大。
2.2工作温度T对光伏电池的影响
图1T=25℃,G=1200、1000、800W/m2时的光伏电池输出电流I曲线和功率P曲线
第5期钱念书,等:
光伏电池建模及其输出特性研究79
电源学报总第43期
光伏电池的工作温度也会影响太阳能电池的效率。
由半导体基础理论可知,载流子的扩散系数随温度的升高而稍有增大,因此光生电流I也会随温度的升高而有所增加;
开路电压直接同制造电池的半导体材料禁带宽度有关,而禁带宽度随温度的变化而变化。
对于硅材料,禁带宽度随温度的变化率是-0.003eV/℃,从而导致开路电压的变化率约
为-2mV/℃,大约是室温时电池开路电压0.55V的
0.4%。
故太阳能电池具有负的温度系数,也就是说
太阳能电池的效率随着温度的上升而下降。
如果要标定某一太阳能电池的效率,就必须同时给出其相应的温度。
根据设定的仿真参数进行仿真,得到一组输出电流和功率仿真波形如图2。
图2G=1000W/m2,T=30℃、25℃、20℃时的光伏电池输出电流I曲线和功率P曲线
T=20℃时,最大输出电流I=5A左右,最大输
出功率及开路电压较T=25℃、30℃偏大;
T=25℃时,最大输出电流I=5.2A左右,最大输出功率及开路电压较T=30℃偏大;
T=30℃时最大输出电流I=
5.5A左右,最大输出功率及开路电压最小。
仿真结
果表明:
在光照强度一定时,光伏电池输出电流随着温度的增大而增大;
光伏组件开路电压随温度的增大而减小;
光伏电池最大输出功率随温度增大而逐渐减小。
由此可以得到,太阳能电池组件的温度对其输出性能影响较大,所以光伏列阵要安装在通风的地方,以保持凉爽。
2.3遮挡对光伏电池的输出特性的影响
在实际光伏电池及阵列的工程应用中,由于安装地点及天气环境等原因,常常存在同一块电池组件中的不同单体或者同一个光伏电池阵列中的不同组件接受的光照强度不同的情况,如光伏阵列受到周围建筑、自然景观、鸟类粪便等杂物或云层的遮挡等[9]。
为此,研究在局部阴影情况下的光伏电池输出特性是非常有必要的。
局部阴影[10-12]使被遮挡部分发热进而造成“热班”[1]效应,为了减小局部遮挡对光伏电池输出功率的影响,目前均采用反向并联旁路二极管,将组件
中超过被遮挡光生电流部分由二极管分流,以避免光照组件产生的能量被遮挡组件所消耗,产生热斑。
课题采用的光伏电池组件由72个单体电池组成,分别并联三个反向二极管,以减小局部遮挡对电池造成的功率损失。
每个二极管保护24个光伏电池单体,当出现局部遮挡时,被遮挡区域输出电流降低形成负载,由于压降作用使二极管导通。
输出电流大于被遮挡电池能够输出的最大短路电流,则被遮挡电池将工作于负电压段,当此反向电压大于旁路二极管的门槛电压时,并联的旁路二极管导通,被遮挡电池被短路,串联输出电流完全由没有被遮挡的电池提供,故此时输出特性与没有被遮挡的输出特性相同;
当串联电流小于被遮挡电池的最大短路电流时,并联旁路二极管不导通,被遮挡电池工作,故串联输出电压为被遮挡电池的电压与未被遮挡电池电压之和。
光伏组件基本结构如图
3。
综上所述,当光伏组件出现局部遮挡时,输出电流方程可用分段函数表示:
(8)
80
(9)
Isc1是正常参考光照强度下,光伏组件的最大短路电流;
Isc2是在局部阴影下,光伏组件最大
参考电流。
令光照强度G=1000W/m2,局部遮挡区域光照强度降低为300W/m2,对光伏组件自上而下进行遮挡,得到仿真波形见图4。
无遮挡时,最大功率点电压U=36V,最大功率输出P=170W左右;
当遮挡区间在0~1/3时,最佳功率点电压U=24V,最大功率输出P=115W左右;
当遮挡区间在1/3~2/3时,最大功率点电压U=12
V,最大功率输出P=60W左右。
当
局部有遮挡时,光伏输出电流呈阶梯状,光伏输出功率呈多波峰,最大功率点电压减小,输出最大功率与遮挡比例呈反比。
通过对局部遮挡的仿真研究,进一步了解了在实际运行中光伏组件的输出特
图3光伏组件基本结构
图4在局部遮挡情况下光伏电池的输出电流和功率曲线
性,这对后续MPPT的实现具有一定的指导意义。
3结论
(1)采用基于外特性等效的系统仿真方法,结合环境修正参数建立的光伏组件数学模型准确的反应了光伏电源的工作情况。
通过对不同光强及温度下的光伏电池输出特性仿真研究,表明了该模型的准确性及普遍适用性,为后续实现MPPT研究奠定了基础。
(2)局部阴影会造成光伏组件输出能力下降,局部遮挡时光伏阵列的数学模型可以用分段函数较准确地描述。
可以推论,当单串阵列受到N种不同的入射光强照射时,光伏阵列需要N个分段函数进行描述。
(3)局部阴影条件下光伏组件的P-V曲线呈
现多峰值特性,传统的最大功率点追踪技术可能无法跟踪到真正的最大功率点。
因此,在实际光伏系统中我们应考虑局部阴影条件下光伏阵列的最大功率点跟踪,使系统总能工作在最大功率点附近,尽可能地减少系统的功率损失。
参考文献:
[1]杨贵恒,强生泽,张颖超,郑勇.太阳能光伏发电系统及其
应用[M].北京:
化学工业出版社,2011.
[2]李春华,朱新坚.光伏/燃料电池联合发电系统的建模
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- 电池 建模 及其 输出 特性 研究 概要