第34卷 第11期 2010年11月 电 网 技 术 Power System Technology Vol. 34 No. 11
Nov. 2010
文章编号：1000-3673（2010）11-0198-05 中图分类号：TM 61 文献标志码：A 学科代码：470·4047
焦阳，宋强，刘文华
（电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084）
Practical Simulation Model of Photovoltaic Cells in Photovoltaic
Generation System and Simulation
JIAO Yang, SONG Qiang, LIU Wenhua
托尔斯泰主义>山丹地震
(State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments (Dept. of Electrical Engineering,
Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China) ABSTRACT: A feasible method of modeling the photovoltaic (PV) cells suitable for engineering simulation application is presented based on the voltage-current characteristic of PV cells. Four standard property parameters are employed to shape the output curve of PV cells in this model, and the parameters can be revised according to the different temperature and solar radiation condition under different environment to obtain an accurate output characteristic of PV cells. Then this model is applied to simulate different type of PV cells, and its efficiency is verified by the fact that simulation results match perfectly with experimental results provided by the PV cell manufacturer. Finally a photovoltaic generation system with maximum power point tracking (MPPT) control is constructed with simulation software PSCAD/EMTDC, and the static and transient simulation results demonstrate the effectiveness of above modelling method.
KEY WORDS: photovoltaic (PV) cell; physical model; environmental correction; voltage-current characteristic; maximum power point tracking (MPPT)
东晋玄言诗摘要：以光伏电池输出特性为基础，给出了一种适合工程应用的行为仿真模型。该模型通过光伏电池的4个标准性能参数拟合出电池输出外特性，通过引入环境条件修正可以得到不同光强及温度下的性能参数以及较为准确的输出特性。采用该方法对不同类型的光伏电池进行建模，将仿真结果与实测结果进行对比，验证了模型的准确性。在仿真环境PSCAD/EMTDC中建立采用最大功率跟踪控制策略的光伏并网发电系统，验证了该模型的静态及动态仿真效果。 关键词：光伏电池；行为模型；环境修正；伏安特性；最大功率跟踪 不可替代的优势。光伏发电设备也成为电力系统及新能源发电领域的研究重点，光伏电池也倍受重视。然而昂贵的造价及精密的特性使得光伏电池在实际应用中受到了许多限制[1]。仿真分析成为光伏发电系统设计与分析的有效手段，因此需要建立准确且实用的光伏电池行为模型。
目前光伏电池的仿真建模手段主要有2类[2]。 1）物理模型是以电池等效电路为基础，基于
光伏器件半导体特性及物理本质建立的。该方法采用受控电流源反并联二极管以及电阻的结构模拟光伏电池内部的光生电源及反向电流。准确度较高，可真实反映电池在不同环境下的输出特性，如果采用详细且准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，通常只有一定的取值范围。这些因素在很大程度上影响了物理模型的精确性，使得物理模型对实际电池的模拟存在较大局限性，也限制了其在实际工程以及仿真研究中的应用。
2）行为模型(或称仿真模型)根据电池外特性拟合出相应的电压与电流关系曲线，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。
本文针对光伏电池的行为建模方法，提出了一种根据环境变化修正性能参数的方法，使得行为模
0 引言
在当今能源与环境问题突出的背景下，光伏发电以其清洁、环保等诸多特点在新能源领域显现出
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型简单实用且精度较高，可以根据光伏电池在标准条件下的4个性能参数拟合出不同环境下的输出特性。通过电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对该模型进行仿真，采用最大功率跟踪控制验证了不同环境下光伏电池的动态输出特性及该模型的系统级仿真性能。
1.3 根据环境修正性能参数的行为模型
针对上述物理模型以及基于输出特性修正的行为模型存在的缺陷，本文提出一种采用性能参数修正法建立的行为模型。在环境条件发生变化时，该方法直接对电池的4个性能参数进行修正，将不同温度及光照条件下电池参数变化曲线与环境变化趋势进行拟合[11-12]，得到式(7)、(8)所示的电流修正系数ΔI及电压修正系数ΔU，将这2个修正系数代入式(9)、(10)就可将标准条件下的4个性能参数
′、Uoc′、Im′。′、Um转化为实际条件下的性能参数Isc
最后将实际条件下的4个性能参数代入式(1)—(3)就得到了任意条件下的光伏电池输出特性，其中a2与c为温度补偿系数，b2为光强补偿系数。这些系数可以根据实测数据与仿真结果的对比进行相应调整，以得到不同性能电池的输出特性。根据电池材料、制作工艺等特性的不同，这些补偿系数可以在一定范围内变化，以灵活适应不同种类的电池。
SΔI=[1+a2(t−tref)] (7)
Sref
ΔU=[1−c(t−tref)]ln[e+b2(S−Sref)] (8)
′=IscΔI⎧Isc
(9) ⎨
′I=IΔI⎩mm
′=IocΔU⎧Uoc
克里奥尔语
(10) ⎨
′UUU=Δ⎩mm采用环境修正法得到的功能行为模型不需要物理模型中复杂的参数，只需厂家提供的4个基本性能参数就可实现光伏电池输出特性仿真。这种建模方法在保持仿真精度的前提下更加简便灵活，适合工程应用。由于直接根据环境变化对电池的性能参数进行修正，该方法可以获得不同温度及光照下的电池特性参数，更有利于对比仿真及实验的结果。对不同光伏电池进行仿真时还可通过调整温度及光照补偿系数来改变电池输出特性。不同的补偿系数可模拟不同电池的特性，增强了仿真的灵活性及模型的扩展性，满足了不同的仿真需要。
1 光伏电池行为模型建模方法
1.1 拟合光伏电池基本输出特性的行为模型
行为模型的特点是采用简单且易获取的参数拟合出光伏电池的输出特性，适用于对电池外部特性进行的仿真研究。在实际应用中，电池厂商会提供标准环境下电池的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率电压Um和最大功率电流Im 这4个参数。这4个参数与电池输出特
性曲线有紧密的对应关系，以此为基础构造的数学表达式即可模拟出与实际输出特性类似的U-I曲线。根据光伏半导体器件的电压–电流关系可以得到基本输出特性公式[7-8]：
I=Isc[1−C1(eU/(C2Uoc)−1)] (1) C1=(1−Im/Isc)e−Um/(C2Uoc) (2) C2=(Um/Uoc−1)[ln(1−Im/Isc)]−1 (3)
式中：U、I为电池输出电压与电流；C1与C2为修正系数。
1.2 根据环境修正输出特性的行为模型
为得到不同温度及光强下输出特性的变化，需要对上述基本模型进行修正。较常见的方法是根据环境变化对电池输出电压及电流进行修正。该方法通过引入式(4)、(5)中的电流修正量dI及电压修正量dU，在式(1)基础上得到如式(6)所示的根据实际环境变化的电压–电流关系，即
SS
dI=Isc[a1(t−tref)+(−1)] (4)
SrefSref
[9-10]
dU=−bU1oc(t−tref) (5)
式中：Sref与tref分别为标准条件下的光强与温度；S与t为实际光强与温度；a1与b1为补偿系数。
I=Isc[1−C1(e(U−dU)/(C2Uoc)−1)]+dI (6)
2 修正性能参数的行为模型验证
采用本文提出的建模方法分别对多晶硅、单晶硅及非晶薄膜材料的实际光伏电池进行仿真。通过将Matlab计算得到的不同环境下的输出特性曲线与厂家提供的实测结果进行对比，能够有效验证该模型的准确性。表1为光强为1 kW/m2，温度为
与物理模型相比，根据环境变化修正输出特性的行为模型较为简单实用，但该模型只针对输出特性进行修正，未给出不同环境下光伏电池的基本性能参数。仿真与实验中均希望得
到不同环境下的4个性能参数用于判断模型的准确性，因此该模型在应用中具有一些局限性。
25 ℃大河茶馆时3种实际光伏电池的标准性能参数[13-15]。
200 焦阳等：光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真
表1 3种实际光伏电池的参数
Tab. 1 Parameters of three sets of PV cells
型号
类型
Uoc/V
Isc/A
Um/V
Im/A
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性能参数/pu
1.41.21.00.80.6−50
温度/℃
实测曲线。
Pm50 100
Isc Uoc
STP260 STP175S STP180TS
多晶硅 44.0 8.09 34.8 7.47 单晶硅 44.7 5.23 35.8 4.90 非晶硅 187.6 1.50 146.4 1.23
图1—3分别为3种不同材料的光伏电池的仿真结果与实测结果对比验证，图中显示了光伏电池在不同光强下的“U-I”及“U-P”曲线。可以看出，光强变化时，3种电池的实测输出特性曲线均与行为模型得到的结果较好地吻合。
图4 不同温度下多晶硅电池仿真结果与实测结果对比
Fig. 4 Comparison of simulation results with experiment results of polycrystalline under different temperature
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