基于PSIM的光伏矩阵MPPT通用模型的设计与应用

摘要：基于光伏矩阵的物理特性，在PSIM仿真环境下，设计带有最大功率跟踪技术（MPPT）仿真算法的光伏矩阵仿真模型，应用于实际的单相光伏并网系统。测试数据表明，仿真模型可以模拟任意参数的光伏阵列，跟踪光照强度、环境温度的变化，为光伏发电系统动态仿真提供良好设计平台。 Abstract：Based on the physical model of PV array, a simulation model is designed in the PSIM environment, including the simulation arithmetic of Maximum Power Point Tracking (MPPT).It is used for a single-phase grid-connected photovoltaic system. The testing results indicate that this model can simulate any parameters of the photovoltaic module, and tracking any light intensity and ambient temperature. And that it can be used as a design platform for the dynamic emulation of the photovoltaic systems. 关键词：光伏矩阵；PSIM仿真模型；MPPT；光伏发电系统 Keywords：photovoltaic array；PSIM simulation model；MPPT；photovoltaic generation system； 中图分类号：  TM615              文献标识码：  A 1 引言         太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。由于成本高，计算机仿真技术成为研究这类系统的有效手段。实际情况下太阳光辐射强度不稳定，光伏电池特性容易受环境温度等因素影响，仅仅依靠准稳态理论建立的模型不能反应当太阳能辐射强度、环境温度变化时，光伏电站瞬态变化以及这种变化对电网的影响[1]。这就需要建立光伏电站的动态仿真模型。光伏阵列是分布式光伏并网电站系统的关键部件，其I-V 特性是太阳辐射强度环境温度和光伏模块参数的非线性函数。实现光伏发电系统的动态仿真，就要对做为输入电源的光伏阵列特性进行仿真建模。 光伏发电系统仿真软件主要有MATLAB和PSIM。MATLAB提供多种仿真工具箱，能够清楚了解电路的数学模型并对系统进行各种动态分析，但它无法直接与硬件连接，并且仿真速度和效果受到算法的制约，使用有一定的限制。PSIM软件是近年来推出的一种功能强大、专门针对电力电子和自动控制建模、仿真的专业软件，能够提供友好的用户界面，包含丰富的控制元件库和强大的数学运算模型，可以将其他仿真软件，如MATLAB软件中的元件转化成通用数学模型。与MATLAB软件相比较，仿真算法采用梯形公式积分演算的节点解析法，极大提高仿真速度，仿真结果的分析处理方式灵活[2]。系统模型的功率回路和控制回路分开设计，不会产生MATLAB软件仿真代数环问题。利用PSIM进行电力电子控制系统建模、分析与开发研究已经受到日益广泛的关注。 建立光伏阵列数学模型一般有三类方法[3-5]，在比较上述两种仿真软件建模方法的基础上选用PSIM仿真软件，考虑实际系统带有的最大功率跟踪MPPT功能，基于光伏矩阵物理模型建立相应通用仿真模型，描述光伏电池特性并模拟外界环境变化。

2 光伏矩阵数学模型       光伏电池I-V特性与太阳辐射强度S和光伏电池温度T有极大关系，即I=f（U，S，T）。采用单结晶硅为材料的光伏电池电路原理如图1 所示[6]。

Rsh为考虑载流子产生与复合以及沿电池边缘的表面漏电流而设计的等效并联电阻，Rs为扩散顶区的表面电阻、电池体电阻及上下电极之间的欧姆电阻等复合得到的等效串联电阻。 图1的太阳能光伏电池等效电路得出：   I = IL- ID - Ish                           (1) 其中：I是光伏模块输出电流；IL是光生电流；ID是流过二极管电流；Ish是光伏模块漏电流。 根据电子学理论，由材料物理特性决定的理想二极管太阳能电池I-V特性为：

 （2）     

                                                 （3） 式中  V——光伏模块输出电压；ID0——二极管反相饱和电流；q——电荷电量；n——二极管性能指数；k——波兹曼常数；TC——太阳能电池温度；T0——绝对零度；T——外界温度。 当太阳电池处于开路状态时，开路电压  

         （4） 由公式(1) ～ (4) 得：        

           （5） 其中

：

 ； 式中  ISCref——参考日照、温度下的短路电流；ht——太阳电池模块温度系数；TCref——参考条件下的基准温度；Sref——参考条件下的光照强度。 在一定的参数范围内，理想光伏电池等效串联电阻Rs很小，等效并联电阻Rsh很大，一般工程应用中可忽略不计[7]，公式（5）简化成：           

        （6）       综合上述推导过程，光伏阵列的数学模型（6）反应出光伏电池受温度影响，和光照强度成正比，输入电流和输出电压之间呈现明显的非线性特性，因此可以用该模型模拟外界条件变化对光伏电池特性的影响，能准确反应物理特性，具有较高的仿真精度。

3 光伏矩阵最大功率跟踪数学模型

将Vmax代入公式(6)得Imax，于是最大功率Pmax可由下式求得：      （10）

4 光伏矩阵仿真通用模型及应用        根据公式（6）~（10）考虑MPPT仿真算法，利用PSIM软件仿真功能设计光伏阵列通用仿真模块。图2是光伏阵列仿真模型内部结构，其中光伏矩阵模型和实时迭代MPPT算法均为PSIM提供的DLL控件采用C编程，实时求解任意太阳辐射、环境温度下对应的最大功率点电压、电流值。算法编写过程设置Switch，系统根据是否带有MPPT输出电流可以是Im或是对应V的实际阵列电流Iout，便于系统的动态调试、观测。模型子系统中T、S为实际环境温度、太阳辐射强度，U 、U-为光伏阵列输出电压，Vm、Im为光伏阵列最大功率点电压、电流，内部参数Voc、Isco、Rsh、Rs等可以根据厂家提供的技术数据修改。

      上述模型是根据电子学理论构建的，能够模拟外界环境温度、光照强度变化对PV电池特性的影响，参数可以模拟实际光伏电池，同时兼顾MPPT仿真算法，所以该模型具有较高的灵活性和仿真精度。        将带有通用MPPT算法的光伏阵列仿真模块封装后，用于图3所示的单相光伏并网系统的动态仿真。系统输入电源采用上述光伏阵列模块；利用PSIM模型库提供的元器件构成逆变单元；其中PDF.dll控件是采用C编写的具有参数自寻优的伪微分结构（PDF—&m