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基于Matlab的光伏电池输出特性的建模及仿真摘要：本文根据光伏电池的工程数学模型,依托Matlab/simulink仿真平台建立光伏电池的仿真模型，直接模拟光伏电池工作状况的方法,该仿真模型能准确反映光伏电池的输出特性,而且参数调节方便。
文章主要对不同温度变化和日照强度变化条件下光伏电池输出的特性进行了研究,得到了光伏电池输出特性变化的一般规律。
数据分析结果表明,光伏电池的输出特性呈非线性。
并在此基础上又深入探索了三个温度不同的光伏电池串联或者并联后在不同光照强度下的输出特性。
由仿真结果分析出，串联模组或者并联模组的输出呈现多峰的特性。
关键词：光伏电池 Matlab/simulink 输出特性Based on the Matlab modeling and simulation ofphotovoltaic cells output characteristicsABSTRACT：In this paper, based on engineering mathematics model of photovoltaic cells, based on Matlab/simulink simulation platform, a simulation model of photovoltaic cells is established direct simulation method of working condition of the photovoltaic cells, the simulation model can accurately reflect the output characteristics of photovoltaic cells, but also convenient for parameter adjustment. This paper changes with different temperature and sunshine intensity under the condition of photovoltaic cells output characteristics are studied, the photovoltaic battery output characteristic changes of general rules. Data analysis results show that the output characteristics of photovoltaic cells is nonlinear.KEYWORDS: photovoltaic cells Matlab/simulink output characteristic前言：随着世界经济的快速发展，对于能源的需求越来越大。
基于MATLAB的光伏发电系统仿真与并网性能测试的开题报告一、选题背景随着能源需求的日益增长和环境问题的不断加剧，新能源技术的发展备受关注。
光伏发电作为一种清洁、可再生的新能源技术，已经逐渐成为人们关注的焦点。
随着光伏技术的不断发展，其在工业、生活、农业等领域的应用逐渐扩展。
然而，光伏发电系统的实际运行中，会受到天气、阴影、温度等复杂因素的影响，导致发电效率下降。
同时，由于光伏发电系统的功率波动性较大，如何将其有效地并网成为一个关键问题。
因此，在光伏发电系统的研究中，光伏发电系统的仿真与并网性能测试成为重要的研究方向。
本次选题将利用MATLAB对光伏发电系统进行仿真，并测试其并网性能。
通过该研究，对光伏发电系统的性能与优化提供一定的参考和指导。
二、研究目的1.建立MATLAB光伏发电系统模型，模拟其在不同天气、阴影、温度等条件下的发电效率。
2.对光伏发电系统的并网性能进行测试，探究其并网特性和与电网之间的协同运行模式。
3.利用仿真结果分析光伏发电系统性能及并网特性，提出优化建议。
三、研究内容及思路1. 光伏发电系统的建模利用MATLAB建立基于材料的光伏电池模型，模拟光伏发电系统的发电效率。
2. 光伏发电系统性能仿真在MATLAB中进行光伏发电系统的性能仿真，模拟天气、阴影、温度等多种因素对其发电效率的影响，以及其发电变化趋势。
3. 光伏发电系统的并网性能测试利用MATLAB分析光伏发电系统的并网特性和与电网之间的协同运行模式，在仿真平台中对其进行测试。
4. 研究结果分析与优化建议对仿真结果进行分析和总结，提出优化建议，为光伏发电系统的性能提升和并网能力提供参考和指导。
四、研究难点及解决措施1. 光伏发电系统的建模难点：光伏发电系统模型的建立需要考虑多种因素，如电池材料、工作条件、光谱分布等。
解决措施：参考现有的材料光伏电池模型，结合实际测量数据进行仿真与修正。
2. 光伏发电系统性能仿真难点：光伏发电系统受多种因素影响，如天气、阴影、温度等，仿真过程需要考虑这些因素的综合影响。
基于MATLAB的光伏发电研究及其仿真摘要：近些年来，随着社会生产的发展,对新能源光伏产业的要求越来越大。
本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率,利用MATLAB建模仿真部分对最大功率点跟踪（MPPT）的控制器进行了研究。
论文分析了常用的蓄电池充电控制方法、光伏电池的特性及其最大功率点跟踪的原理和方法。
通过MATLAB软件对不同环境下的光伏电池输出特性进行了建模、仿真。
分析了最大功率点跟踪的工作原理,介绍了常用的最大功率点跟踪方法,并在此基础上提出了一种新的扰动观察法。
最后,通过比较三种常用的DC/DC变换器的工作原理,提出利用BOOST型DC-DC变换器实现转换,对参数进行分析后建立了BOOST型DC/DC变换器的仿真模型。
关键词:太阳能光伏发电MATLAB仿真最大功率点跟踪Boost型DC-DC变换器目录摘要 (Ⅰ)1课题背景 (2)1.1能源与环境危机 (2)1.1.1能源 (2)1.1.2环境 (2)1.2太阳能光伏发电技术发展简介 (2)1.3太阳能光伏发电利用的优势 (3)1.4光伏发电系统的分类级组成 (4)1.5国内外研究产业现状及规划 (6)2光伏发电系统 (7)2.1光伏发电系统介绍 (7)2.2 太阳能光伏发电系统的应用 (8)2.2.1屋顶光伏发电系统 (8)2.2.2户用光伏发电系统、小型光伏电站 (8)2.2.3大型并网光伏发电系统 (9)2.3带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成 (9)3光伏阵列特性及其仿真模型的研究 (10)3.1太阳能电池的等效电路分析 (10)3.2电池板matlab仿真 (12)3.3 蓄电池充电方法 (12)4新型变步长MPPT控制方法研究 (15)4.1 MPPT 原理研究 (15)4.1.1MPPT (15)4.1.2基于Boost拓扑的MPPT原理 (16)4.2常见的两种MPPT控制技术 (18)4.2.1扰动观察法 (19)4.2.2电导增量法 (21)5光伏充、放电控制器的硬、软件设计 (25)5.1控制器的整体设计及预期技术指标 (25)5.2 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 (26)5.3软件设计 (26)参考文献 (34)致谢 (35)1 课题背景1.1能源与环境危机1.1.1 能源能源成为了新世纪发展的主要动力，他在经济发展中扮演着很重要的角色，能源的多少关系着一个国家的经济安全和国家安全。
2006年5月25日第23卷第3期通信电源技术Telecom Power TechnologiesMay 25,2006,Vol.23No.3收稿日期:2005212207基金项目:台达电力电子科教发展基金重点资助项目(项目编号:DREK 200501)作者简介:杜 柯(19772),男,湖北松滋人,华中科技大学电气与电子工程学院应电系硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。
文章编号:100923664(2006)0320008203研制开发基于Matlab 的一种光伏阵列模拟器的研究杜 柯,段善旭,刘 飞(华中科技大学,湖北武汉,430074) 摘要:提出了能够模拟光伏阵列输出特性的模拟器的概念,建立了基于光伏电池数学模型和电力电子技术的光伏阵列模拟器Matlab 仿真模型,可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数下的光伏阵列I -U 特性,仿真结果证明了原理的可行性。
关键词:光伏阵列特性;模拟器;Matlab 仿真中图分类号:TN 711文献标识码:AReserch on t he Photovoltaic Array Simulator Based on MatlabDU Ke ,DUAN Shan 2xu ,L IU Fei(Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )Abstract :This paper presents the principle of a photovoltaic (PV )simulator which emulates the output characteristics of PV arrays.A simulation model for photovoltaic array simulator under Matlab environment based on the mathematical modules of PV arrays and power electronic technology is built up.In the model ,the I 2V characteristics of photovoltaic array can be simulated at any corresponding insolation level ,ambient temperature and parameters of the photovoltaic module.The feasibility of the theory is proved by the results of Matlab simulations.Key words :characteristic of photovoltaic array ;simulator ;Matlab simulation0 引 言太阳能光伏发电的发展势头越来越强劲。
基于MATLAB光伏发电系统设计与仿真光伏发电系统是一种利用光能转化为电能的发电装置，具有环保、可再生能源的特点，被广泛应用于家庭和工业领域。
在设计和仿真光伏发电系统时，MATLAB是一个强大的工具，可以帮助用户进行系统建模、优化设计和性能评估。
首先，光伏发电系统的设计需要考虑到以下几个方面：1.光伏电池阵列的布局：光伏电池阵列是光伏发电系统的核心部件，其布局直接影响系统的电能输出。
在MATLAB中，可以使用图形界面工具进行电池阵列的布局设计，考虑到阴影遮挡和角度调整等因素，优化电池布局，提高能量转换效率。
2.逆变器和控制系统设计：逆变器是将光伏电池阵列输出的直流电转换为交流电的关键设备。
在MATLAB中，可以设计逆变器的控制系统，实现电能的稳定输出。
同时，可以模拟不同天气条件下的光伏电池阵列输出，通过优化控制算法，提高光伏电池系统的性能。
3.系统性能评估：利用MATLAB，可以进行光伏发电系统的性能评估，包括功率输出、能量转换效率、电网连接特性等。
通过对系统的各种参数进行仿真，可以优化系统的设计和运行，提高发电系统的效率和可靠性。
除了设计和仿真，MATLAB还提供了其他工具，用于分析和优化光伏发电系统的运行。
例如，可以进行负荷分析，根据负荷特性和用电需求，确定光伏发电系统的容量和布局。
同时，MATLAB还可以用于进行经济评估，估算系统的成本和收益，帮助用户制定合理的投资策略。
总之，基于MATLAB的光伏发电系统设计和仿真可以帮助用户进行系统的建模、性能评估和优化设计，实现电能的高效利用和可靠输出。
MATLAB提供了丰富的工具和函数，用于处理光伏发电系统的各种问题，为用户提供了一个全面而强大的开发平台。
一、实验过程记录1.画出实验接线图图1 实验接线图图2 光伏电池板图3 实验接线实物图2.实验过程记录与分析（1）给出实验的详细步骤○1实验前根据指导书要求完成预习报告○2按预习报告设计的实习步骤，利用MATLAB建立光伏数学模型，如下图4所示。
图4 光伏电池模型其中PV Array模块里子模块如下图5所示。
图5 PV Array模型其中Iph，Uoc，Io，Vt子模块如下图6-9所示。
图6Iph子模块图7Uoc子模块图8 Io子模块图9Vt子模块○3在光伏电池建模的基础上，输入实际光伏电池参数值，研究不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线，并得出结论。
○4设计光伏电池测试平台，在不同光照、温度情况下测试光伏电池输出电压、输出电流值，对实测数据进行处理并加以分析，记录实际光伏电池的I-V、P-V特性曲线，与仿真结果进行对比，得出有意义的结论。
○5确定电力变换电路拓扑结构，设计电路中的相关参数值，通过MATLAB搭建电路并仿真分析，搭建电路如图10所示。
图10离网型光伏发电系统○6确定系统MPPT控制策略，建立MPPT模块仿真模型，并仿真分析。
系统联调，调节离网型光伏发电系统的电路和控制参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。
（2）记录实验数据表1当T=290K时S=1305W/m2时的测试数据表2当T=287K时S=1305W/m2时的测试数据表3当T=287K时S=1278W/m2时的测试数据二、实验结果处理与分析1.实验数据的整理和选择使用MATLAB软件其中的simulink工具进行模型的搭建。
再对其进行仿真，得到仿真曲线。
使用Excel表格输入实验所测得U、I、P，在对其自动生成I-V，P-V曲线。
2.绘制不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线；图11 I-V曲线图12 P-V曲线当T=290K时S=1305W/m2时的测拟合曲线图13 I-V曲线图14 P-V曲线当T=287K时S=1305W/m2时的拟合曲线图15 I-V曲线图16 P-V曲线当T=287K时S=1278W/m2时的拟合曲线3.所得实验数值和预习所得理论值比较，进行实验结果的误差分析所得实验数值和预习所得理论值比较，仿真波形开路电压均比实验所得的开路电压大，仿真波形最大功率也比实验所得最大功率大，所取得最大功率值对应的电压值也是仿真时比实验时的大，造成这个现象的原因有以下几点：（1）由于天气原因，真实测试环境的光照强度有些不稳定，前后变化幅度明显，这也导致了一部分的误差。
2006年5月25日第23卷第3期通信电源技术T elecom P owe r T echno lo giesM ay 25,2006,V ol.23N o.3收稿日期:2005-12-07基金项目:台达电力电子科教发展基金重点资助项目(项目编号:D REK 200501)作者简介:杜 柯(1977-),男,湖北松滋人,华中科技大学电气与电子工程学院应电系硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。
文章编号:1009-3664(2006)03-0008-03研制开发基于Matlab 的一种光伏阵列模拟器的研究杜 柯,段善旭,刘 飞(华中科技大学,湖北武汉,430074) 摘要:提出了能够模拟光伏阵列输出特性的模拟器的概念,建立了基于光伏电池数学模型和电力电子技术的光伏阵列模拟器M atlab 仿真模型,可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数下的光伏阵列I -U 特性,仿真结果证明了原理的可行性。
关键词:光伏阵列特性;模拟器;M atlab 仿真中图分类号:T N 711文献标识码:AReserch on the Photovoltaic Array Simulator Based on M atlabDU K e ,DU A N Shan -x u ,L IU Fei(Huazho ng U niver sity o f Science and Technolo gy ,W uhan 430074,China )Abstr act :T his pape r presents the principle of a pho tov oltaic (P V )simulato r which emulates the output characteristics of P V a rray s.A simulation mo del fo r photov oltaic arr ay simulato r under M atlab environment based on the mathematical modules of PV ar ray s and po wer elect ronic technolo gy is built up.In the mode l ,the I -V characteristics of pho tov oltaic ar ray ca n be simulated a t any co r respo nding insolation level ,ambient temperature and pa rameters of the pho tovo ltaic mo dule.T he feasibility of the theo ry is pr oved by the results of M a tlab simulatio ns.Key wo rds :characteristic of pho tov oltaic arr ay ;simulato r ;M a tlab simulatio n0 引 言太阳能光伏发电的发展势头越来越强劲。
按预测,到2030年太阳能发电将占世界电力供应的10%以上,2050年达到20%以上。
可以预计太阳能光伏发电系统将成为各国研究的热点。
光伏发电系统的研究如果采用真实的光伏电池阵列,会产生试验成本高、需要大量空旷场地和对日照、自然气候等依赖性强等一系列的问题,因此研究出低成本的按照实际的光伏电池的I -V 特性输出的,能够代替实际光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验,使之不受场地和环境影响的模拟器成为必需。
目前,关于光伏阵列模拟器国内外已有研究并制成了一些样机。
总的来说,基本原理有以下三类[1-5]:(1)跟随样品光伏电池的光伏电池模拟器,原理是采用可控的白炽灯模拟太阳光强的变化,样品电池的输出电压和电流随模拟光强而变化,经放大后驱动功率器件,使其输出跟随样品光伏电池的电压和电流,代替实际光伏电池阵列进行各项试验。
(2)数字式光伏电池模拟器,其原理是以光伏电池的数学模型为基础,使用上位计算机和专用的控制软件控制稳压稳流高频可控直流开关电源,在上位机中建立环境和电池参数数据表格,针对输出电流和电压的采样,上位机查表并计算使输出电流指令收敛于某一点即负载的工作点,该点必在光伏电池的I -V 曲线上。
(3)基于DSP 控制的数字式光伏电池模拟器,这种模拟器也是以光伏电池的数学模型为基础的,但在装置中以功能强大、运算速度快的DSP 取代上位机控制直流开关电源,对控制指令的处理不是采用查表法,而是采用实时计算的方法得到。
实践证明,方法一中样品太阳电池在机内光源照射下,机箱内的温度及光伏电池的温度特性都会发生极大的变化,这时的输出特性与实际光伏电池的输出特性大不相同,其误差往往大到不能接受的程度。
方法二中查表法是一种较为准确的方法,但需要事先人工输入大量数据,工作非常繁琐且电池参数等数据的获得并非易事。
方法三中使用计算法拟合曲线,舍弃传统的查表法,误差较小且无需太多人为干预,使得系统更为优化、简单。
可见方法三是比较适合光伏系统实验所需的一种方案,但由目前公开发表的文献中可以看到,已有的研究成果只模拟了参考条件下光伏电池输出特性曲线,这与光伏发电系统的研究实验要求有较大的距离。
本文针对M atlab 仿真环境,建立了以光伏电池数学模型为基础,结合DSP 技术、现代电力电子技术和数字技术的光伏电池阵列模拟器的仿真模型。
该模型完全模拟了光伏电池模拟器主电路结构,对模拟器模拟任意环境温度、太阳辐射强度下光伏电池的输出特性进行了仿真实验,其结果对建立可以完8通信电源技术 2006年5月25日第23卷第3期杜 柯等: 基于M a tlab 的一种光伏阵列模拟器的研究Te lecom Po we r T echno log ies M ay 25,2006,V ol.23N o.3全模拟光伏电池任意输出曲线的模拟器具有很大的理论指导意义。
1 光伏电池特性典型的光伏电池I -U 特性如图1,图1中S 1、S 2、S 3为太阳辐射强度且S 1>S 2>S 3。
由图可以看出光伏电池I -U 特性与太阳辐射强度之间是高度非线性的。
图1 典型光伏电池I -U 特性图2 光伏电池的数学模型[6]设T 为在任意日射强度S (W /m 2)及任意环境温度T air (℃)下的太阳电池温度,则有以下公式:T =T air +K S (1)式中,K (℃m 2/W )为光伏电池模块的温度系数。
设在参考条件(S ref =1000W /m 2,T ref =25℃)下,I sc 为短路电流,U oc 为开路电压,I m 、U m 为最大功率点电流和电压,则当光伏阵列电压为U ,其对应点电流为I :I =I sc (1-C 1(eU C 2U o c-1))(2)其中,C 1=(1-I m /I sc )e-U mC 2U o c(3)C 2=(U m /U oc -1)/ln (1-I m /I sc )(4) 考虑太阳辐射变化和温度影响时,I =I sc (1-C 1(eU -DV C 2U oc-1))+DI(5)其中,DI =αS /S ref DT +(S /S ref -1)I sc(6)DV =-βDT -R s DI(7)DT =T c -T ref(8)α:在参考日照下,电流变化温度系数(A /°C );β:在参考日照下,电压变化温度系数(V /°C );R s :光伏阵列模块的内阻。
3 光伏阵列模拟器的仿真模型光伏电池模拟器系统动态仿真模型如图2。
由前面的分析可知,光伏电池模拟器其实是输出特性很特殊的一种直流开关电源,其功能是完成从普通直流输入到光伏阵列输出特性的转换,所以本文中模拟器的主体电路采用结构简单、易控制的buck 斩波降压电路结构,输入采用250V 直流输入,电路的控制图2 光伏电池模拟器系统动态仿真模型原理框图如图3。
图3 光伏电池模拟器控制原理框图 由图3可见光伏电池模拟器采用的是双环控制。
正常工作时,电压环不动作,呈开环状态,电压变化对系统不产生影响;当输出电压U 超出给定电压U *时,系统立刻封锁PWM 环节的驱动信号输出,将系统输出电压限制在给定电压U *以下。
电流环的给定电流I *是通过光伏电池数学模型计算而得,它与负载电流反馈量的偏差通过电流调节器的形成PWM 占空比的控制量,使输出电流I 始终跟踪给定电流I *。
最终当负载一定时,可以得到既满足欧姆定律又满足光伏电池数学模型的电流电压输出,即光伏电池模拟器的输出符合光电池I -U 特性。
在控制回路中,设置了一个0.1s 的软启动环节,这样可以使模拟器的脉宽从零开始慢慢增大,直到稳定工作,也可以减小主开关管的开机冲击。
4 光伏阵列的Matlab 仿真模型[7]基于节2所述数学模型,本文在M atlab 环境下,利用Simulink 工具,建立了光伏阵列的通用仿真模块,图4为该仿真模块的内部结构,图5为该仿真模块的外部封装图。
图5中T 为环境温度,S 为太阳辐射强度,U out 为光伏电池仿真电源输出电压,I 为光伏电池输出电流在光伏电池模拟器中为系统给定值。
在光伏阵列的仿真模块内部封装了参数T ref 、S ref 、α、β、I sc 、U oc 、I m 、U m 等参数。
实验时可以很方便的设置上述参数,构建不同I -U 特性的光伏阵列。
即在仿真不同组成的光伏阵列时,只需更改参数即可,给实验带来极大的方便。
9 2006年5月25日第23卷第3期通信电源技术T elecom P owe r T echno lo giesM ay 25,2006,V ol.23N o.3图4 光伏电池通用仿真模块图5 光伏电池通用仿真模块外部封装5 仿真运行及仿真结果分析光伏电池通用仿真模型的参数设置如图6所示。
图6 光伏电池通用仿真模块参数设置界面 模拟器电路参数为L =184μH ,C =310μF ,负载R =2.2Ψ,设定环境温度与太阳辐射强度分别为25℃和1000W /m 2(参考条件)时,可得到如图7负载R 的电流曲线。
由图7可知,在0～0.1秒软启动期间负载电流由零平滑上升,0.1s 时进入稳定状态。
仿真结果与实际值相吻合,证明该模拟器原理正确、参数设计适当。
图8为模拟器输出电流随太阳辐射强度的变化情况。
在t =1.5s ,t =2.5s 时太阳辐射强度分别从1000W /m 2降至800W /m 2和600W /m 2,模拟器输出电流也从7.25A 分别降至6.38A 和5.01A ,太阳辐射强度变化时模拟器动态性能良好。
