基于MATLAB/SIMULINK的光伏電池建模與仿真分析

冷 淼，徐 婷（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

基于MATLAB/SIMULINK的光伏電池建模與仿真分析

冷 淼，徐 婷
（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

太陽(yáng)能作為新能源的典型代表，越來(lái)越受到人們的重視。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，針對(duì)光伏電池輸出特性非線性化的特征，分析了光伏電池的工作原理，利用MATLAB/SIMULINK對(duì)其進(jìn)行了建模與仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性。

光伏電池；MATLAB/SIMULINK仿真；輸出特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.216

1　引言

一次能源的日益枯竭及由一次能源使用所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，這加快了人們對(duì)二次能源的開(kāi)發(fā)與利用，光伏發(fā)電被廣泛認(rèn)為是清潔、安全、可靠、技術(shù)相對(duì)成熟的技術(shù)，因此近幾年來(lái)光伏發(fā)電成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1-3］。本文根據(jù)光伏電池的工作原理，建立了其數(shù)學(xué)模型，并基于MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真，對(duì)不同光照強(qiáng)強(qiáng)度、環(huán)境溫度下的光伏電池輸出特性進(jìn)行了分析。

2　光伏電池的數(shù)學(xué)模型及輸出特性

2.1光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池是一種利用光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的元器件。光伏電池通常是由硅半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)被光照時(shí)，會(huì)形成新的空穴電子對(duì)。在半導(dǎo)體硅的內(nèi)部電場(chǎng)作用下，N型區(qū)的空穴流向P型區(qū)，P型區(qū)的電子流向N型區(qū)，故在光伏電池的兩端產(chǎn)生電壓。光伏電池單體可等效為如圖1所示的電路模型［4］。

圖1　光伏電池等效電路模型

根據(jù)圖1，由基爾霍夫定律KCL、KVL可得光伏電池的輸出電流I：

式中：Iph為光子激發(fā)的電流，A；Io為無(wú)光照時(shí)二極管的反向飽和電流，A；q為電子的電荷量，q=1.6×1019C；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；A為二極管特性特性因子，取值在1～2之間；T為環(huán)境溫度，T=（t+273）K；Rs為光伏電池的等效內(nèi)部電阻，；Rsh為光伏電池的等效旁路電阻，

對(duì)于普通的光伏電池，Rsh的值很大，Rs值很小，而Rs對(duì)發(fā)電效率影響更大，故在理想狀態(tài)下常常忽略Rsh，于是（1）式可簡(jiǎn)化為：

從（2）式可以看出影響光伏電池實(shí)際輸出功率大小的因素主要是光照強(qiáng)度S、環(huán)境溫度T以及負(fù)載阻抗。設(shè)光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（S=1000W/m2，T=25°C）的開(kāi)路電壓為Voc，短路電流為Isc，最大功率點(diǎn)電壓為Vm，最大功率點(diǎn)電流為Im，結(jié)合工程實(shí)際，光伏電池的輸出特性方程可表示為：

其中：

根據(jù)式（3）～（5）知通過(guò)光伏電池生產(chǎn)廠商提供的Voc、Isc、Vm、Im四個(gè)參數(shù)，就能知曉光伏電池的輸出特性。本文所采用的光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的技術(shù)參數(shù)為：Voc=22V，Isc=8.58A，Vm=17.7V，Im=7.94A，Pm=140.5W。在實(shí)際使用時(shí)由于環(huán)境的不斷變化，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行一定補(bǔ)償，設(shè)補(bǔ)償后光伏電池的開(kāi)路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流分別為V′oc、I′sc、V′m、I′m，可以得到：

對(duì)于單晶硅光伏電池，工程上a、b、c的典型取值分別為0.0025℃-1、0.5m2/W、0.00288℃-1。

2.2光伏電池的輸出特性

基于上述光伏電池的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)，搭建了如圖2所示的光伏電池仿真模型。

圖2　光伏電池基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型

將上述子系統(tǒng)進(jìn)行模型封裝后，設(shè)置參數(shù)仿真參數(shù)，模擬外界環(huán)境不同時(shí)，光伏電池的輸出特性，仿真結(jié)果分別如圖3（a）、3（b）、3（c）、3（d）所示。

圖3　光伏電池的輸出特性

2.3仿真結(jié)果分析

觀察圖3可以得出光伏電池的輸出功率與輸出電流之間呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性，光照強(qiáng)度主要影響短路電流的大小。相同溫度下，光照強(qiáng)度越強(qiáng)則短路電流就越大，輸出功率也就越大；環(huán)境溫度主要影響開(kāi)路電壓的大小，光照強(qiáng)度相同時(shí)，溫度越高則開(kāi)路電壓就越小，輸出功率也就越小，而且不管外界環(huán)境如何變化，光伏電池總存在唯一的最大功率點(diǎn)。

3　結(jié)論

本文分析了光伏電池的工作原理，基于此建立了其數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB/SIMUNLINK仿真軟件中進(jìn)行了仿真，得出了不同環(huán)境下光伏電池的輸出特性曲線，仿真結(jié)果表明光伏電池的輸出特性呈強(qiáng)非線性，并且每條曲線有唯一的最大功率點(diǎn)。因此采用一定的控制手段能夠使光伏電池輸出最大功率，最大限度地利用太陽(yáng)能。

［1］丁明，王偉勝，王秀麗等.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（01）：1-14.

［2］蘇劍，周莉梅，李蕊.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的成本/效益分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（34）：50-56.

［3］徐彭濤，趙巧娥，張強(qiáng)等.基于中值觀測(cè)的自適應(yīng)變步長(zhǎng)MPPT算法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（22）：150-152.

［4］郭爽，王豐貴.實(shí)用光伏電池建模及MPPT算法仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（08）：148-150.

冷淼（1991-），男，湖北云夢(mèng)人，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電及電氣節(jié)能研究。