Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays

ABSTRACT

This paper proposes a method of modeling and simulation of photovoltaic arrays. The main objective is to find the parameters of the nonlinear I–V equation by adjusting the curve at three points: open circuit, maximum power, and short circuit. Given these three points, which are provided by all commercial array datasheets, the method finds the best I–V equation for the single-diode photovoltaic (PV) model including the effect of the series and parallel resistances, and warranties that the maximum power of the model matches with the maximum power of the real array. With the parameters of the adjusted I–V equation, one can build a PV circuit model with any circuit simulator by using basic math blocks. The modeling method and the proposed circuit model are useful for power electronics designers who need a simple, fast, accurate, and easy-to-use modeling method for using in simulationsof PV systems. In the first pages, the reader will find a tutorial on PV devices and will understand the parameters that compose the single-diode PV model. The modeling method is then introduced and presented in details. The model is validated with experimental data of commercial PV arrays.

INTRODUCTION

APHOTOVOLTAIC (PV) system directly converts sunlight into electricity. The basic device of a PV system is the PV cell. Cells may be grouped to form panels or arrays. The voltage and current available at the terminals of a PV device may directly feed small loads such as lighting systems and DC motors. More sophisticated applications require electronic converters to process the electricity from the PV device. These converters may be used to regulate the voltage and current at the load, to control the power flow in grid-connected systems, and mainly to track the maximum power point (MPP) of the device. In order to study electronic converters for PV systems, one first needs to know how to model the PV device that is attached to the converter. PV devices present a nonlinear I–V characteristic with several parameters that need to be adjusted from experimental data of practical devices. The mathematical model of the PV device may be useful in the study of the dynamic analysis of converters, in the study of MPP tracking (MPPT) algorithms, and mainly to simulate the PV system and its components using circuit simulators.

چکیده

این مقاله یک روش مدل سازی و شبیه سازی آرایه های فتوولتائیک را پیشنهاد می دهد. هدف اصلی این است که پارامترهای معادله I-V غیر خطی را با تنظیم منحنی در سه نقطه پیدا کنید: مدار باز، حداکثر قدرت و اتصال کوتاه. با توجه به این سه امتیاز، که توسط تمام داده های آرایه تجاری ارائه شده است، روش بهترین معادله I-V را برای مدل دیود فوتوولتائیک (PV)، از جمله اثر سری و مقاومت موازی، و ضمانت هایی که حداکثر توان این مدل با حداکثر توان آرایه واقعی منطبق است. با پارامترهای معادله I-V تعدیل شده، می توان با استفاده از بلوک های ریاضی پایه، یک مدل مدار مدار PV با هر شبیه ساز مدار ایجاد کرد. روش مدل سازی و مدل مدار پیشنهاد شده برای طراحان الکترونیک قدرتمند که نیاز به یک روش مدل سازی ساده، سریع، دقیق و آسان برای استفاده در شبیه سازی سیستم های PV دارند مفید است. در صفحات اول، خواننده آموزش در مورد دستگاه های PV پیدا خواهد کرد و پارامترهایی را که مدل PV دیود تک دیود را تشکیل می دهند، درک خواهد کرد. روش مدل سازی سپس معرفی و ارائه شده در جزئیات. این مدل با داده های تجربی آرایه های PV تجاری معتبر است.

مقدمه

سیستم APHOTOVOLTAIC (PV) به طور مستقیم نور خورشید را به برق تبدیل می کند. دستگاه اساسی یک سیستم PV، سلول PV است. سلول ها می توانند به شکل پانل ها یا آرایه ها گروه بندی شوند. ولتاژ و جریان موجود در ترمینال دستگاه PV ممکن است به طور مستقیم از بارهای کوچک مانند سیستم های نورپردازی و موتورهای DC تحویل دهد. برنامه های پیچیده تر نیاز به تبدیل مبدل های الکترونیکی برای پردازش برق از دستگاه PV. این مبدل ها می توانند برای تنظیم ولتاژ و جریان در بار، برای کنترل جریان برق در سیستم های متصل به شبکه، و عمدتا برای ردیابی نقطه حداکثر قدرت (MPP) دستگاه استفاده می شود. برای مطالعه مبدل های الکترونیکی برای سیستم های PV، ابتدا باید بدانید که چگونه مدل PV دستگاه متصل به مبدل را مدل کنید. دستگاه های PV یک مشخصه غیرخطی I-V با چندین پارامتر دارد که باید از داده های آزمایشی دستگاه های عملی تنظیم شود. مدل ریاضی دستگاه PV ممکن است در مطالعه تحلیل دینامیک مبدل ها در مطالعه الگوریتم های MPP (MPPT) و به طور عمده برای شبیه سازی سیستم PV و اجزای آن با استفاده از شبیه سازهای مدار مفید باشد.

Year: 2009

Publisher : IEEE

By : Marcelo Gradella Villalva, Jonas Rafael Gazoli, and Ernesto Ruppert Filho