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基于MATLAB/Simulink的太阳能光伏组件建模与仿真

Ami舒克拉1Manju Khare说2， K N Shukla3.
  1. 印度博帕尔拉克希米纳拉因理工学院电气与电子系研究生
  2. 印度博帕尔拉克希米纳拉因理工学院电气与电子系副教授
  3. 研究学者，系能源印度博帕尔毛拉·阿扎德国立理工学院
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本工作主要是在MATLAB/Simulink中开发36W光伏组件的程序。该程序基于数学方程，通过等效电路描述，包括光电流源、二极管、串联电阻和并联电阻。开发的程序可以预测光伏组件在不同物理和环境参数下的行为。该程序还可以用于提取给定太阳能光伏组件的物理参数作为温度和太阳辐射的函数。从模拟特性可以观察到温度和辐照度这两个环境参数的变化。将程序模拟结果与数据表信息进行了比较，两者具有较好的一致性。

关键字
太阳能，光伏，光伏组件，特性，编程，性能。

介绍
在所有可再生能源中，太阳能的潜力最大。如果只有少量的这种形式的能源可以被利用，它将是最重要的能源供应之一，特别是当国家的其他来源已经耗尽了来自太阳的能源。这种能量保持地球的温度高于寒冷的空间，在大气和海洋中产生电流。它引起水循环并在植物中产生光合作用。太阳照射大气层的太阳能功率为1017瓦。地球表面的太阳能功率是1016W。全世界所有文明需求的总电力需求是1013W。因此，太阳提供给我们的能量是我们所需能量的1000倍。如果我们能使用其中5%的能源，这将是世界所需能源的50倍。光伏太阳能电池可以从太阳能中产生电能。 SPV cell converts the solar energy directly to electrical energy. The most significant applications of SPV cells in India are the energization of pump sets for irrigation, drinking water supply and rural electrification covering street lights, community TV sets, medical refrigerators and other small power loads. Sunshine available in India is for nearly 300 days in a year [2].
太阳能已经被人类使用很久了。然而，在此之前，太阳能的使用仅限于用于基本的干燥或加热目的。人们很快意识到，太阳能可以更好地利用复杂的系统，用于家庭用水加热，或工业用水加热，干燥等。利用太阳能发电可以追溯到太空时代，当时太阳能光伏电池被用来为环绕地球的卫星供电。随着时间的推移，人们意识到太阳能光伏发电不仅可以用作卫星电源，而且也是地球上最清洁和最绿色的电源。因此，太阳能不仅被用于取暖等传统用途，还被用于发电。
太阳能是最清洁、最环保的技术之一。尽管印度的太阳能以太阳能热发电为主。，it is expected that Solar PV in India will prove to be the single largest source of power in the times to come. It is thus no surprise that Solar Energy is and will continue to play a dominant role in the Indian Power Scenario due to various benefits it offers over other renewable technologies.
太阳能是一种非常重要的资源，但在印度仍未得到充分利用。目前它只占印度总发电能力的0.8%左右。该国平均每年有300个晴天，年辐射量为1600-2200千瓦时/平方米，折合成年估计潜力为60亿千瓦时。为了挖掘太阳能的巨大潜力，MNRE发起了一项倡议，即太阳辐射资源评估(SRRA)，旨在通过评估和量化全国范围内太阳辐射的可用性来开发太阳地图集[3-4]。
2007年印度生产的太阳能还不到总能源需求的1%。截至2010年12月，并网太阳能发电仅为10兆瓦。截至2005年，印度政府资助的太阳能仅占大约6.4兆瓦年的电力。然而，印度在每瓦安装的太阳能产量方面排名第一，每千瓦峰值的日照为1700至1900千瓦时(kWh/KWp)。2010年新增25.1兆瓦，2011年新增468.3兆瓦。截至2014年1月，印度太阳能并网装机已增加到2208.36兆瓦，预计到2017年将再增加1万兆瓦，到2022年将达到2万兆瓦。
印度每年大约有300个晴朗的晴天，仅在其陆地面积上，理论上的太阳能接收每年约为5000千瓦时(PWh/年)(即5000万亿千瓦时/年或约60万吉瓦)[2,3]。印度每天的平均太阳能事件在4到7千瓦时/平方米之间，每年约1500到2000个日照小时(取决于地点)，这远远超过目前的总能源消耗。例如，假设光伏组件的效率低至10%，这仍然比2015年预计的国内电力需求高出1000倍。
太阳能发电依靠光伏系统和热机。太阳能的使用受到人类创造力的限制。为了收集太阳能，最常见的方法是使用光伏板，它将从太阳接收光子能量并将其转换为电能。太阳能技术大体上分为被动太阳能和主动太阳能，这取决于它们储存、转换和分配太阳能的方式。主动太阳能技术包括使用光伏电池板和太阳能集热器来收集能量。被动式太阳能技术包括将建筑朝向太阳，选择具有良好热质量或光散射特性的材料，以及设计自然循环空气的空间。太阳能有广泛的应用领域，如发电配电、供热水、建筑照明、农作物干燥等。
在光伏发电中，由于组件成本高，必须确保最佳利用可用的太阳能。此外，由于天气条件的不可预测和突然变化导致太阳能的变化性质，光伏系统需要特殊的设计考虑，这改变了辐射水平以及电池的工作温度。这要求在安装之前对所设计的光伏系统进行准确可靠的模拟[5,6]。太阳能光伏系统的性能取决于几个环境参数，如太阳日照、温度、风速和遮阳。这种系统的性能要求对I-V和P-V特性曲线有精确的了解。

相关工作
太阳能光伏系统的研究工作在过去几年中呈指数级增长，这些系统在商业上越来越可行。数值模拟已被证明是理解这些系统运行的有价值的工具。在文献中，许多研究者已经为MATLAB/Simulink提出了几种模型。Tsai等人(2010)提出了四种不同类型的广义MATLAB模型来检验太阳辐照度和电池温度的影响，并优化广义模型[7]。Longatt(2005)设计了第一个完整的太阳能光伏发电电子转换系统中基于电路的仿真模型，以模拟光伏系统在并网应用中的电气行为[8]。Nema et al.(2010)基于matlab/simulink对不同工况和负载下的光伏电池、光伏组件和光伏阵列进行了研究。Hernanz等人(2010)分析了太阳能电池的性能，并开发了一个完整的模型来模拟光伏系统[10]的电学行为。Kumari和Babu(2012)也在matlab/simulink环境下对PV Cell进行了数学建模和仿真，通过在开路、最大功率和短路点[11]三种工况下调整曲线，找到了非线性I-V方程的参数。Bhatt和Thakker(2011)研究了光伏阵列的电特性，得到了温度[12]的函数。Alsayid和Jallad(2011)基于matlab/simulink/PSIM对光伏电池、光伏组件和光伏阵列进行了仿真，并与50W太阳能电池板[13]进行了比较。Mohammed(2011)基于matlab/simulink对输出功率为60W和64W的模块进行了建模，尝试[14]。Richhariya和Pachori(2011)使用matlab/simulink设计了一个以辐照度和电池温度为输入参数的用户友好的太阳能电池模型，并使用商用模块[15]进行了验证。 Ramos-Hernanz et. al. (2012) have compared two PV Simulation Models in time domain by using matlab/simulink, to achieve an I-V curve similar to the manufacturer‟s data sheet. However, these models have been developed with a large number of assumptions, some of which are even practically unrealistic [16]. Bikaneria et.al (2013) have studied in this paper one diode photovoltaic cell model are focused. Simulation studies are carried out with different temperature [17]. Venkateswarlu and Raju (2013) the study of photovoltaic systems in an efficient manner requires a precise knowledge of the IV and PV characteristic curves of photovoltaic modules. A Simulation model for simulation of a single solar cell and two solar cells in series has been developed using sim electronics (matlab/simulink) environment and is presented here in this paper. A solar cell block is available in sim electronics, which was used with many other blocks to plot I-V and P-V characteristics under variations of parameters considering one parameter variation at a time. Effect of two environmental parameters of temperature and irradiance variations could also be observed from simulated characteristics [18]. Vajpai and Khyani (2013) presents the development of a matlab/simulink model for the solar PV cell, module and array. The simulation of photovoltaic module for obtaining the performance characteristics has also been carried out in this paper. The developed model is then simulated and validated experimentally using PSS1237 solar panel. The experimental results obtained, exhibited a good agreement with the simulated data [19]. Bonkoungou et al. (2013) this paper presents a photovoltaic (PV) cell to module simulation model using the single-diode five parameter models. The model was implemented in matlab software and the results have been compared with the data sheet values and characteristics of the PV module in Standard Test Conditions (STC). Parameters values were extracted using Newton Raphson‟s method from experimental Current (I)-Voltage (V) characteristics of Solar ex MSX60 module. The results obtained are in good agreement with the experimental data provided by manufacturer. The approach can thus, be very useful for researchers or engineers to quickly and easily determine the performance of any photovoltaic module [20].
本文在matlab/simulink脚本中，利用单二极管等效电路模型，分析了36W (Tata BP 184459)光伏组件在不同组件温度和不同太阳辐照度下的性能特性。所提出的建模方法避免了PV参数识别的复杂性，同时获得了相当的精度。

光伏电池的一般描述
光伏电池将太阳辐射直接转化为直流电能。市场上几乎所有光伏电池的基本材料都是高纯度硅(Si)，从沙子或石英中获得。基本上，在光伏电池的生产中使用了三种技术。单晶;多晶;非晶硅[32]。晶体硅技术通常被用作太阳能发电技术的参考或基准。一般来说，光伏电池技术的地位取决于电池的效率和制造成本。世界各地的研发重点都是提高效率和成本，其中最优解决方案是基于两者之间的权衡。光伏电池的效率取决于materialâÂ′Â′在大范围内吸收光子能量的能力，以及材料的带隙。 Photovoltaic cells are semiconductors that have weakly bonded electrons at a level of energy called valence band [33, 34]. When energy strikes this valence band, it frees those bonded electrons and moves them to another energy level called conduction band. At the conduction band, the electrons are able to conduct electricity through an electrical load. PV cells use the energy of photons from sunlight to break their band gap energy thereby producing DC current. Typically, PV cells produce low power (approximately 2-3Watts); [39] hence several cells are connected together to form modules and panels for higher power applications. Power regulation elements (e.g. battery, charge controller, converter, etc....) mare also incorporated to match the output power form to the demanded application. Figure 1 shows the simple concept of photovoltaic system.
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结论
在可编程simulink平台上，采用忽略串联电阻和分流电阻的经典单二极管模型和改进的单二极管模型对塔塔BP 184459光伏组件的电性能特性进行了建模。仿真结果的I-V和P-V特性与制造商在两种不同工况下的I-V和P-V特性进行了验证:首先，太阳辐射强度在200W/m2到1000W/m2之间变化，考虑到光伏组件的恒定温度为250C;其次，太阳辐射强度在250C到450C之间变化，假设太阳辐射强度恒定为800W/m2，输入信息可在标准光伏组件数据表表1中获得(Tata BP 184459)。通过制造商的I-V和P-V特性验证了模拟结果的准确性。本研究得出以下结论:
1.随着温度的升高(25℃~ 450℃)，由于硅带隙的存在，开路电压(Voc)下降，短路电流(Isc)略有增加。
2.最大功率(Pm)随着温度从25℃增加到45℃而降低。在温度25℃时，最大功率为36.16W，在温度45℃时为29.48W。
3.随着太阳辐照度从200W/m2增加到1000w /m2，光伏组件开路时产生的电压和短路时产生的电流都在增加。这一增量是太阳辐射强度的线性函数。开路电压越大，短路电流的增量越明显。
4.光伏组件的输出功率很大程度上取决于落在其上的太阳辐照度。模块的功率几乎随太阳辐射强度的增加而线性增加。
5.在太阳辐照度为200W/m2时输出功率为6.65W，在1000W/m2时输出功率为36.37W。

确认
我们非常感谢K. Sudhakr博士和能源部MANIT Bhopal对完成这项工作的宝贵指导和全力支持

术语
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参考文献
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