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基于PSIM的光伏阵列仿真模型的研究
摘要:根据光伏电池相关的理论和数学模型，利用PSIM建立一种简单并且准确的光伏阵列模型。同时，在此模型的基础上建立具有MPPT功能的直流变换器仿真模型。比较不同环境下的输出曲线的仿真结果以及实验数据。仿真结果和实验数据吻合，证明了此模型的适用性和准确性。
关键词:光伏电池；仿真；PSIM；最大功率点跟踪
ThestudiesofSimulationModelforPVArrayusingPSIM
Abstract:Basedonthetheoryandmathematicaltreatmentforthephotovoltaiccell,asimpleandaccuratePVarraymodelsuitableforcircuit-orientedsimulator,PSIM,isdeveloped.Bythemodel,asimulationmodeloftheDC-DCconverterwithMPPTisestablished.Outputcharacteristicsaregeneratedthroughsimulationfordifferentconditionandcomparedwiththeexperimentallyobtainedcharacteristics.Simulationandexperimentalresultareincloseagreementwitheachother.ThisverifiestheaccuracyandsuitabilityofthedevelopedPSIMmodel.
Keywords:photovoltaiccell;PVarray;simulation;PSIM,MPPT
介绍
太阳能由于具有取之不尽、用之不竭、分布广泛、容易获取和环保清洁等众多优点，已经变得越来越重要，但它亦有一些固有的缺陷：能量分散性大、密度低，光照强度因季节、昼夜的变化具有间歇性，而且受气候、地理环境的影响很大。因此，为了从光伏阵列中获得最大的能量输出，要求光伏阵列在任意时刻都工作在其最大功率点（MPP）附近。如何使光伏阵列的负载与其最大功率点相匹配一直是光伏发电领域的研究热点，而计算机仿真则是研究这一内容的有效手段。
光伏电池是光伏发电系统中的关键部件，其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。要实现光伏发电系统的动态仿真，首先一步是如何对光伏阵列特性能进行仿真模拟。通常有两种仿真建模方法[1]：基于光伏阵列物理机制和外特性的建模方法。两种方法各有千秋，但是基于物理机制的模型由于不利于电路仿真用户解读，尤其在目前光伏阵列产品更新快的时代背景下其模型参数往往与光伏产品的常规参数对应关系不明确而影响仿真精度。基于外特性的模型则由于其对电路仿真用户的友好接口而具有较高的试用价值。
在光伏发电系统里，如飞行器和卫星的电源系统，光伏阵列所发的电能的质量和性能很差，很难直接供给负载试用，需要使用电力电子器件构成的变换器将该电能进行适当的控制和变换。变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。用变换器可以实现对光伏阵列的最大功率点追踪（MPPT）[2]。
PSIM[3]是针对电力电子电路以及电力拖动而设计的软件，其中的器件都基本采用理想模型，计算速度非常快，虽然不能直接分析复杂的电力电子开关过渡过程，但是用户可建立自己的期间模型，给建模带来了很大的灵活性。本文在PSIM仿真环境的基础上，基于光伏阵列的外特性，提出了一种简单光伏阵列仿真模型。该模型很好的处理了光伏阵列产品参数变化（如标准条件下光伏电池的短路电流、开路电压、电压电流温度系数等）、环境温度、太阳辐射强度、光伏阵列串并联数等对特性的影响，并考虑了系统是否带有MPPT功能。本文基于以上理论，建立了一种基于PSIM的光伏阵列仿真模型。
光伏电池的理想电路模型
光伏电池的等效电路[4]如图所示：

图1光伏电池等效电路图
其中，为光生电流。值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。1光伏电池的值均为16～30mA。环境温度的身高，值也会略有上升，一般来讲温度每升高1℃，值上升78µA。为暗电流。无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的就是光伏电池在无光照时，有外电压作用下P-N结内流过的单向电流。为光伏电池输出的负载电流。为电池的开路电压。电池的开路电压与入射光照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电磁面积的大小无关。温度每上升1℃，下降约2～3mV。
光伏阵列的数学模型
单个的光伏电池由于其容量较小，输出电压只有零点几伏、输出峰值功率也自由1W左右，一般不能满足负载用电的要求，也不便于安装使用。在实际运行中，需要按照功率等级和电