光伏阵列建模

基于PSCAD 的光伏阵列建模

钱海艇

河海大学电气工程学院，南京市（210098)

E-mail ：Qht916@

摘 要：根据常用的光伏电池数学模型、光伏电池与温度和光强数值函数关系以及光伏阵列输出特性与光伏电池串－并联函数关系等原理，在PSCAD 环境下，采用新方法构建了光伏阵列仿真模型。文中通过引入不同厂家的光伏电池参数和动态气象数据，进行了光伏电池特性曲线拟合、光伏阵列耦合负载发电以及并网发电等仿真试验。同时给出相关仿真试验结果，经分析表明该模型适合光伏发电系统的仿真试验。

关键词：光伏电池特性；光伏阵列；PSCAD；动态气象数据；光伏发电；

中图分类号：TK514

0. 引言

随着光伏发电技术的发展，大规模光伏发电正面向全球化、商业化的发展。由于变化的气象环境对光伏电池电力输出的影响，在设计光伏发电系统过程中，进行仿真分析、寻求可靠的运行参数是必须的。从而，在理论研究的基础上，构建可靠实用的光伏阵列仿真模型，进而分析光伏发电系统的可行性、可靠性、经济效益最优化以及运行效率最高化等，都是非常必要的研究。

目前，国内外有很多文献是关于光伏发电系统仿真建模，但多数是根据电子学原理，给出复杂的数值仿真模型[1

～3]。而且，大多数文献都是按照稳态理论来建模的，能够充分考虑光强和温度因素的据少。且多数在构建光伏阵列模型时都是简单的串、并联，没有考虑其对

输出的影响。

本文提出的光伏阵列仿真模型不仅考虑到串－并联对输出的影响，还可以根据不同的气象数据和运行环境数据，模拟光伏电池在不同环境下的运行模式和状况。而且，可以根据不同种类光伏电池的特性参数，设定运行模式。仿真试验的结果表明，该模型便于工程应用，能满足多数工程项目物理模拟的精度要求。 1. 光伏电池及光伏阵列模型

1.1 光伏电池特性及模型

针对光伏电池特性的研究和文献国内外有很多[1～5]，理论和技术均已成熟。根据光电学

原理，光伏电池数学模型可分为单指数模型和双指数模型，文献[3

、4]中已经有详细的说明。按照文献[5]对光伏电池等值电路模型的分类有三种，其中最为精确，应用最广的是第三种，

如式（1）所列。 ()0exp 1s s L sh V IR q V IR I I I R AKT ++=−−−⎧⎫⎡⎤⎪⎪⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩

⎭ （1） 根据工程应用要求实用性和精确性相结合的特点，根据文献[6]的近似方法可以得到式

（2）。其中有两个近似系数K 1、K 2可以由式（3）和（4）确定。 (){}12exp 1

sc sc oc I I K I V K V =−×−⎡⎤⎣⎦ （2）

()()12m 1I /exp /sc m oc K I V K V =−−⎡⎤⎣⎦ （3） ()()21

m ln 1I //1sc m oc I K V V −−=−⎡⎤⎣⎦ （4）

由于光伏电池的特性与光强和温度有关，所以式中V m 、V oc 、I m 、I sc 是随温度和光强变化的。按标准取参考光强S ref =1000W/m 2，取参考温度T ref =25℃，实时的温度、光强与参考值的差表示为ΔT=（T ref -T ），ΔS=(S ref -S)。根据文献[6]中的方法，已知实时光强和温度与参考值的差值，可以推算出新的光强和温度下的电池I-V 曲线。根据文献[6]中给出的典型工程参数可以得到式（5）～（7），这就得到了完整的光伏电池模型。文献[6]的仿真结果表明（2）～

（7）表示的太阳能电池模型，对光伏电池特性的拟合精度可以满足通常的工程要求。本文也对其精度进行仿真比较，结果符合世界上多数光伏电池厂商提供光伏电池参数要求。 (10.0028)ln(1)2ocref ref oc S V V T S Δ=+Δ−

（5） (10.0028)ln(1)2mref ref m S V V T S Δ=+Δ− （6） m I (10.0025)/ref

sc I S T S ==−Δ （7）

1.2 光伏阵列模型 因为单个光伏电池产生的电压很小, 所以在实际中很少应用单个光伏电池, 而是将许多光伏电池相互串联形成一个具有一定程度的抗冲击力、耐腐蚀的光伏模块。相应地, 再将许多模块集中到一起通过串联增加电压, 并联增加输出电流, 以便向负载提供更大的功率, 从而形成光伏阵列。当若干个光伏电池串、并联在一起时,因受到光强、温度以及连接阻抗等因素的影响，输出的电流和电压已经不能简单的用电源串、并联原理来计算，必须考虑到光强、温度系数以及串、并联因素等。

本文应用文献[7]中确定温度和光强对输出电压和电流的影响系数的方法和相关工程参数，经过推导得出工程实用的光强和温度同时对光伏电池输出电压或电流的影响系数关系式

K v 和K i 。

再将这些系数关系与文献[8]中给出的光伏阵列与串、并联光伏电池函数关系相结合，得出构建能实时采集环境数据的光伏阵列模型。其中，文献[8]

中有关光伏电池I-V曲线拟合部分是采用经验值拟合的，不适合工程应用。本文将1.1节中提出的拟合模型与文献[8]

中方法相结合，得出光伏电池动态拟合模型。推导过程如下：

如果按标准取参考光强和温度，光伏电池的运行光强和温度与参考值的差有以上定义为ΔS 、ΔT 。那么变化的环境温度对光伏电池输出电压和电流的影响系数分别由式（8）和（9）表示。其中系数β、λ是根据不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定，如果取标准参考温度和光强时，通常取值范围为：β＝0.003～0.004，λ＝0.06～0.07。由于变化的光强促使光伏电池的光伏电流和运行温度发生变化，从而引起输出电压的变化。当光强变化时，其对输出电压和电流的影响系数可以由式（10）和（11）表示。其中系数α也是根据不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定的。这里给出标准参数下的工程实用计算公式α＝ΔT/ΔS,本文取文献参数0.2。