基于LabVIEW的光伏组件最大功率点跟踪仿真

J. Abdul Jaleel博士，Nazar。A A R
印度喀拉拉邦Kollam, TKM工程学院电气与电子工程系。

摘要

模型在LabVIEW软件中构建了太阳能电池和太阳能组件的结构。太阳电池模型为单二极管模型，采用牛顿-拉夫森法求解。在LabVIEW中模拟了IV特性和PV特性，并在不同温度和辐照度条件下进行了验证。在光伏组件仿真中引入最大功率点跟踪，在标准条件下对最大功率点、最大功率点的电压和电流进行仿真，并对仿真结果进行验证。该仿真系统用于分析太阳能光伏组件在不同温度值、太阳辐照值、串联电阻Rs和并联电阻Rsh下的情况。分析了太阳能组件在不同二极管理想因数下的性能。该模型可用于光伏特性分析和最大功率点跟踪算法(MPPT)仿真。

关键字

光伏电池，光伏组件，最大功率点跟踪，LabVIEW，牛顿·拉夫森法。

介绍

从家庭到汽车再到电子产品，很多东西都需要能源。用于这些目的的传统能源是煤、天然气、核能、石油等。由于传统能源的危机，我们需要寻找其他能源。太阳能是一个很好的选择，而且产生的电力清洁无声。他们是持久的，很少的维护，因为没有任何活动的部分。与其他可再生能源相比，其主要缺点是效率水平有限。太阳能电池的输出很大程度上取决于天气条件和自然界的波动。所以我们需要从太阳能电池板中获取最大的能量。为此，采用了基于DC-DC变换器的最大功率点跟踪[2]。为了进行这种研究，我们需要太阳能电池或组件的模型来检查将要实现的MPPT的性能。不仅是MPPT系统，连接到光伏系统的设备都需要太阳能电池和电池板的模型，这对于设计蓄电池独立式光伏系统、并网系统等都是非常重要的。 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench ) is a good simulation as well as automation software , therefore the PV cell and module model in LabVIEW is very important. This paper is organized as follow: Section I gives the introduction of PV technology and the importance of mathematical simulation model in LabVIEW. Section II is helpful to understand the model of solar cell and related equations in developing the simulation on LabVIEW. In section III model of solar module is designed with the help of solar cell mathematical model and the section IV give Newton Raphson method for solving the nonlinear current voltage equation. Section VI show the simulated result of solar module and at last section VII concludes the paper and followed by the references.

太阳能电池模型

光伏电池由PN结组成，当暴露在光下时会释放电子。太阳能电池可以被建模为与正向偏置二极管并联的电流源。二极管电流Id随结电压Vd和电池反向饱和电流Io而变化。最常用的太阳能电池建模方法是单二极管模型，如图1[5]-[9]所示。在实际应用中，太阳能电池不是理想的二极管，因此存在一定的损耗。在实际电池中，串联电阻Rs和并联电阻Rsh的存在降低了效果。串联电阻Rs很小，它是由金属和半导体内阻之间的欧姆接触引起的。雷竞技网页版但分流电阻Rsh非常大，代表了外围的表面质量。通过外围的漏电流为Ish。二极管电流Id和分流电流Ish都由光电流Iph给出。理想情况下，Rs为0,Rsh为∞。 The resultant current relationships are in the following equation, as dictated by Kirchhoff’s Current Law [1]

通过二极管的电流是a

当太阳能电池端开路时，电流源产生的光电流完全流过二极管和Rsh。因此，最大电压Voc产生在整个终端。在考虑光伏电池的端子短路的情况下，光电流Iph流过短路的端子。所以两端的电压变为零，电流I变为Iph。所以短路电流Isc等于Iph。那么我们可以把电流I写成，

Isc取决于天气条件——环境温度

Ta和辐照G。

Tr:基准温度，Tc:电池温度，Iscr;参考温度下的短路电流Tr, Ki;短路电流温度系数G:太阳辐照瓦数m2，电池温度是环境温度Ta与辐照G的函数

太阳能组件模型

PV阵列是一组若干PV电池，它们以串联和并联电路的方式电连接以产生所需的电流和电压。采用NP并联和NS串联电池的太阳能组件等效电路。[6]如图2所示。如果电池并联，则所有电池的总电压与单个电池的电压相同，但总电流是单个电池的电流值之和。由于单个电池的电流可达3安培以上，而电压小于0.7伏，因此很少采用并联连接。

．阵列的电流和电压的终端方程如下

牛顿拉斐尔算法

牛顿拉弗森法是用逐次逼近[5]求非线性函数的根的方法。如果f(x)是一个非线性函数第一步是求f ' (x)的导数。下一步是选择一个初始的x值xn.当f(x)=0时，每一个接近x值的x的连续值可由公式13计算

这里我们取值current而不是x，那么Eq.(13)就变成

则电流的函数可表示为

结果

A.标准工况下的光伏组件仿真:

在LabVIEW上的光伏组件仿真如图3所示。和视图。图4为[1][10]框图，图5为前面板。前面板包括三个图表的电源电压，电流电压和最大功率点跟踪(MPPT)。模拟的输入来自制造商的数据表，输入数据见表1。其他仿真参数设为:Ta= -8.75℃，A=1.3(多晶太阳能电池)，Rsh=500000Ω， Rs=.00005Ω。在标准条件下进行了仿真，验证了LabVIEW PV模型的有效性。计算了未知参数，仿真了电源电压和电流电压特性。未知参数为参考温度下的饱和电流Ior，根据输入参数计算给定温度下的饱和电流Io和短路电流Isc。我们可以进入大气温度系统计算电池温度Tc。模拟输出值如表2所示。 From the input parameters and calculated unknown parameters the simulating system draw the current voltage, Power voltage and Maximum power point tracking graph are drawn and shown in Fig.5 and Fig.6.

B.最大功率点跟踪仿真:

仿真系统的输入参数包括整个太阳能组件的电阻负载，其值为2Ω[1]。IV曲线与负荷线交点为工作点。图7(a)为15.6419V、7.8198 a电流时的工作点。LabVIEW的模拟输出包括最合适的电阻值4.71055Ω。当整个太阳能组件的负载电阻转移到这个最合适的电阻时，我们可以从太阳能组件[3]获得最大的功率。于是工作点移到电压34.2845V，电流7.27823 A的新点，此时得到最大功率。

C.不同工况下IV和PV曲线的变化

为了在不同的操作条件下验证模型，在不同的温度和太阳辐照度值下进行了几次测试。图8为标准电池温度为25℃时，不同太阳辐照度下G从200W/m2变化到1000W/m2的I-V曲线和P-V曲线，图9为太阳辐照1000 w/m2时不同温度值的I-V曲线(T从0℃变化到85℃)。

D. IV和PV曲线在不同串联电阻值时的变化

串联电阻Rs、分流电阻Rs、理想因数A等内部因素对决定IV曲线和PV曲线的设计计算有很好的作用。因此，在分析IV曲线相对于Rs、Rsh和a的不同值的变化时，我们需要考虑这些因素。10为不同串联电阻值下IV和PV曲线的变化情况。而图11。显示了不同并联电阻值的变化。在设计太阳能电池模型时，二极管理想因数也是一个重要的因素，因此太阳能组件的特性曲线也随二极管理想因数的变化，如图12所示

结论

研究发现，电流电压关系是非线性的，在特定的电流和电压下存在一个最大功率，该最大功率随太阳光照值、大气温度、风速等大气条件的变化而变化。分析了辐照和大气温度对电流电压特性和功率电压特性的影响。当辐照水平降低时，光产生电流明显减小。开路电压(Voc)也降低了，但影响可以忽略不计。随着大气温量值的降低，在1000 w/m2的太阳辐照下，开路电压只是降低，光产生电流保持不变。实际上，功率随温度的升高而减小。在分析串联电阻的影响时，我们可以看到Isc和Voc保持不变，但最大功率点是变化的。串联电阻影响恒压区IV特性的斜率。同时，并联电阻Rsh影响恒流区曲线的斜率。填充系数受并联电阻和串联电阻变化的影响。 Ideality factor have a role in finding the maximum power point of solar cell at given condition. Ideality factor (A) having value between 1 and 2 and we can see that power peak of a PV Curve is affected by the ideality factor of the solar cell. This model can be used for analysis of PV characteristics and for simulation with MPPT algorithms.

确认

作者要感谢Kollam TKM工程学院电气与电子工程系的管理人员和教职员工，感谢他们进行了许多有见地的讨论，并为我们完成这项任务提供了便利。

参考文献

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