基于 matlab 的光伏电池半物理仿真系统的研究

  基于 matlab 的光伏电池半物理仿真系统的研究 周昶 叶方铭 马磊 孙耀杰 复旦大学信息学院光源与照明工程系，上海 200433 E-mail：yjsun@fudan.edu.cn 摘 要：本文从原理上得出简化的光伏电池板数学模型，并分析了在阴影条件下光伏电池板的运行规律， 并加以改善，从而得到比较完善的光伏电池板模型。将光伏电池模型在 Matlab/Simulink 中建模并仿真，在 PC 机上得出光伏电池 V-I,V-P 特性。最后将 PC 机上 Matlab/Simulink 建立的光伏电池模型通过 AD/DA 板卡于外 界真实量交互，为在 Matlab/Simulink 上搭建光伏系统能量提供部分的半物理仿真提出了可行性和合理性。 关键词：光伏电池；仿真平台；Simulink；AD/DA 板卡 Research based on matlab of Sim-physicalsimulation in Photovoltaic cell Zhou Chang，Ye Fangmin，Ma Lei，Sun Yaojie Department of Illuminating Engineering and Light Source，School of Information Science and Engineering，Fudan University，Shanghai 200433 E-mail：yjsun@fudan.edu.cn Abstract: The paper generates the mathematical model of solar cell, and analyzes the operation rules of solar cell under shadow. According to the mathematical models built above, the paper builds the models of solar cells in Matlab/simulink, and it is analyzed through simulation of Solar cell's Voltage-Current characters and Voltage-Power characters, which proves the building of this model in theory. At last, the output of models built in Matlab/Simulink is linked to outside through A/D & D/A Board. It is proved reasonable and necessary that Para-physical Solar electricity generating system simulation is built on Matlab/Simulink, which builds the basis for the research and development of Solar electricity generating system. Keywords：Photovoltaic cell, Simulation Plantform, Simulink, AD/DA integrated circuit board 1. 引言 太阳能是目前应用比较广泛的可再生能源，它们分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际公 认的理想替代能源。尽管太阳能很多优点，但也存在着一定的局限性。它的能量密度低，具有不稳 定性和间歇性，在转换为电的过程中还要受季节、地理和天气等多种因素的制约[1][2]。 由于大多数地方的太阳能分布并不均匀，要想得到所需的太阳能照度就需要远离实验室场所.即使 到达了合适的实验场所。如果需要模拟多个地方不同时间的实验条件，这对普通研究人员是无法实 现。这就需要实验者能够在实验室就模拟出光伏电池输出，并且能够跟据需要的不同环境条件下 __________________________ 国家重点基础研究发展计划（资助号：2010CB734100）  863 项目（资助号：20060103A1193）  上海科委（资助号：09DZ1141004）   ——诸如有云彩或树叶阴影的太阳下的情形，用实验室较为常用的器材来模拟这些真实会发生的情 况和真实的能源供给。本文即从光伏电池原理出发，将光伏电池模型在软硬件结合的环境下，通过 matlab/simulink 控制 AD/DA 板卡半物理地仿真出光伏电池输出电压。为光伏系统的控制提供一个 实验平台，为实验提供一个接近真实的参考。 本文采用了 ADlink PCI-6208V 和 PCI-9111 板卡，通过 matlab/simulink 中搭建的仿真模型编程 控制 PC 机与 AD/DA 板卡的交互，实现光伏电池半的物理仿真。 2. 光伏电池的原理及模型 单一光伏电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射同质半导体 材料构 成的 PN 结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生电子和 空穴。由于 PN 结势垒区存在着较强的内建静电场，在电场的作用下， N 区的空穴向着 P 区移 动，而 P 区的电子则向着 N 区移动，最后在太阳电池的受光面上积累大量的负电荷，而在它的 背光面上积累大量的正电荷。即在光照作用下太阳电池内部形成电流密度 J、短路电流 Isc 、开 路电压 Uoc 。在太阳电池的两个表面引出金属电极，并用导线接上负载，即形成由 PN 结、连接 电路和负载组成的回路，在负载上就有“光生电流”流过，实现对负载的功率输出。[3][4] 2.1 光伏电池的数学模型 多个光伏电池以串联或并联的方式封装为一个整体，构成能提供一定容量的直流电能发电单元 即光伏模组[5]。我们需要考虑在整个光伏模组中，会有个别光伏电池实效时发生的状况。针对此实 际光伏模组的结构，在模型中添加反向雪崩击穿效应的光伏电池等效电路模型，如图 1。 图 1.阴影条件下单颗光伏电池模型   图 1 中Iph为光生电流，ID为流过二极管的电流，Iv为反向雪崩击穿电流，VD为Rsh的端电压， Rsh和Rs为等效的并联电阻和串联电阻，V、I分别为光伏电池元的输出电压和电流。 此等效模型可得到光伏电池元的数学模型[7]为： shSD IIIII ph −−−= (1) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= + 11 11 SSD KT s KT D A IRVq A qV eIeII (2) ( ) nn bc s sV V IRV IRVI − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−+= 1α (3)   shsh D sh RR V sIRVI +== (4) 式中，Isq、A1 ——为二极管D1 的反向饱和电流和品质因子；Is2、A2 ——为二极管D2 的反向 饱和电流和品质因子；Vbc——为选本击穿电压；α、nn——为雪崩击穿特征常数；T——光伏电池 元温度；q——为电子电量，1.6022×10-19C；k——为波尔兹曼常数，1.3806×10-23J/K。 设有 m 条 n 个光伏电池元串联支路并联形成的光伏模组，光伏模组的各个光伏电池元电气特 性完全相同，则可得到此光复模组的数学模型为 ( ) 0 1 ( / / ) / /exp 1 / // / 1 s s ph sh nn s s bc q U n IR m U n IR mI m I m I m A KT R V n IR mm V n IR m V α − ⎧ ⎫⎡ ⎤+ +⎪ ⎪= − − −⎨ ⎬⎢ ⎥⎪ ⎪⎣ ⎦⎩ ⎭ ⎛ ⎞+− + −⎜ ⎟⎝ ⎠ (5) 上式在双指数模型的基础上已经考虑了光伏电池被反向击穿的可能性，添加了 ( ) nn bc s s V mIRnVmIRnVm − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−+ //1//α 这项。 2.2 光伏电池 Matlab/Simulink 的系统仿真模型 图 2.光伏电池的 simulink 模型   考虑光伏电池的光伏效应，旁路二极管，以及光伏电池特有的伏安特性，建立光伏二极管的模 型。需要一开始确定的参数包括光伏电池的短路电压 Isc，开路电压 Voc，功率最大点的电流 Im 和功率最大点的电压 Vm。   如图 2.模型的下半部分是光伏电池的主要部分，下面的 Id 是中间的二极管的 PN 节特性，Rp 是并联电阻，Rs 是串联电阻，输出的太阳电池板的开路电压。模型的上半部分是模拟了旁路二极 管部分，By-pass diode 是一个二极管部分，选择器可选择是否加载旁路二极管，通过 Diode 和 Switch 部分的添加来确定。 3. 半物理仿真系统 如图 3.此半物理仿真系统通过数据采集卡采集当前系统状态，在对当前状态进行分析得出输出 值，以此输出值控制 DA 卡的电压输出。此电压输出可附接大功率线性功率放大器作为该功率放大 器的 图 3. 半物理仿真流程示意图 控制信号，以保证系统功率输出。若输出 DA 卡能准确输出控制信号，则可通过此信号功率放大器 实现物理仿真。本文没有涉及功率放大器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研究。 在 PC 机上分为 Matlab 和 hardware Driver 两部分。在 Matlab 部分，我们将光伏电池模型建在 simulink 中，通过 M-file 的编写来控制由 simulink 中写到/读取 workspace 的数据流，用 Data Acquisition Toolbox 提供的语句将数据写到/读取 DAQ Engine 的缓存空间，由 PC 机上低一层的 Hardware Driver 将数据交换到 AD(PCI-9111)/DA(PCI-6208)板卡上。在这一流程中，涉及的硬件包 括 AD 板卡 Adlink 的 PCI-9111 和 DA 板卡 Adlink 的 PCI-6208V，软件部分包括由 Adlink 为接口 Matlab/Data Acquisition 做的 DAQ-MTLB 驱动，Matlab 的 Simulink 和 Data Acuquisition toolbox。 图 4.PV 模组的输出曲线传到工作空间   4. 实验结果 以信号发生器作为信号源，信号发生器的输出信号作为模拟实际电路电流的采集的号的输出到 板卡上，通过以上建立的模型计算得出如图5为示波器上输出的电压随参考电流变化而变化的波形， 可参考在simulink/Scope上的输出波形。实际实验中计算机上Matlab为了让仿真更快速，它所采用   的时间是按照PC机内部的时间运行，而并非按照实际的时间运行程序，需要调节Matlab运行系统 模块的RTW组件调用仿真实时间的时间中断来运行此程序。 从实验结果看该系统能够按照模型输出的数据输出相应的电压信号。 (a) (b) 图 5.仿真模型 (a) Scope 输出 (b) DA 卡输出   5. 结论 本文从光伏电池的模型建立->在 Matlab/Simulink 中仿真->与 AD/DA 板卡交互为主线。介绍了 模拟光伏电池半物理仿真的必要性与可行性。引入了光伏电池数学模型，及考虑了阴影条件下的光 伏电池模型，选取了合适的光伏电池模型。在 Matlab/Simulink 中对光伏电池建模。最后通过 PC 机，AD/DA 卡和功率放大器的连接，证实实际仿真输出由计算机计算得到的数字量值是可行的。 并用测试用的正弦信号对模拟量输出和数据采集卡，给出了将计算机模型通过 AD/DA 卡输出到示 波器上的图像，验证了半物理仿真的可行性。 参考文献 [1] 李春鹏,张廷元,周封,太阳能光伏发电综述[J].电工材料，2006.3:45-48 [2] 朱瑞兆等,中国太阳能—风能资源及其利用[J].北京气象出版社，1988:37-51，107-130 [3] S.M. Bedair, M.F. Lamorte and J.R.Hansen, A Two-Junction Cascade solar-Cell Structure[J], Applied Physics Letters, 1979.34(1):38-39 [4] M.F.Lamorte and D.H. Abbott, AlGaAs/GaAs Cascade Solar Cell Computer Modeling Under Hihg Solar Concentration[J],Solar Cells, 1983.9 :311-326 [5] M.F. Lamorte and D.H. Abbott, Computer Modeling of a Two-Junction[J], Monolithics Cascade Solar Cell, IEEE Trans. Electron Devices, 1980.ED27:231-249 [6] F. Duen Ho and T.D. Morgan, Spice Modeling of Cascade solar Cells[J], IEEE1991 [7] V. Quaschning, and R. Hanitsch,,Influence of shading on electrical parameters of solar cells[J], Photovoltaic Specialists Conference, 1996., Conference Record of the Twenty Fifth IEEE 作者简介： 周 昶（1985- ），男，硕士研究生，研究方向为电力电子控制技术，光伏直流模块并联输出技术。 叶方铭（1987- ），男，大学本科生。 马 磊（1986- ），男，硕士研究生，研究方向为电力电子控制技术，电力电子仿真建模技术。 作者联系信息：（必须提供，用于论文集编辑时进行联系，将不在论文集中出现）  姓名：    孙耀杰          联系电话（手机）：    15601693069 Email 地址：yjsun@fudan.edu.cn