任意輻照與溫度條件下光伏電池輸出特性的建模與分析

徐劍峰

摘 要：根據(jù)光伏電池輸出特性關(guān)系式，以MATLAB/Simulink軟件為電池模型仿真平臺(tái)，建立輻照與溫度可變的光伏電池仿真模型。模擬光伏電池在任意輻照度、環(huán)境溫度下的輸出特性，用于光伏陣列局部陰影時(shí)的仿真研究。

關(guān)鍵詞：光伏電池；輸出特性；仿真模型

1 概述

太陽(yáng)能作為清潔可再生能源已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，光伏電池通過(guò)光伏打效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中占有主要作用。因此熟悉光伏電池在各種工況下的輸出特性，對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)非常重要。

本文通過(guò)對(duì)光伏電池輸出特性進(jìn)行建模，通過(guò)仿真得到光伏電池的各種特性曲線。仿真結(jié)果說(shuō)明，仿真模型在不同工況下的輸出特性與實(shí)際太陽(yáng)能電池板輸出特性非常接近，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

光伏電池發(fā)電原理是基于半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏打效應(yīng)，當(dāng)物體接受光照時(shí)內(nèi)部的電荷分布發(fā)生改變，從而產(chǎn)生電勢(shì)。當(dāng)與電池正負(fù)級(jí)連接的電路形成閉合回路時(shí)便會(huì)有功率輸出。實(shí)際應(yīng)用中通常把標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的光伏電池單體串并聯(lián)起來(lái)獲得一定的能量輸出。

光伏電池的輸出特性輻照度與溫度影響較大，需要結(jié)合一定的環(huán)境修正參數(shù)才能更加準(zhǔn)確描述光伏電池的輸出特性。本文使用MATLAB建模的簡(jiǎn)化光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型[1-2]如下：

式中，C1、C2為修正系數(shù)，Iph為光伏電池短路電流，VOC為開(kāi)路電壓，Vm、Im為最大功率點(diǎn)電壓、電流。

3 任意輻照度和溫度下的光伏電池仿真結(jié)果

基于以上數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/simulink工具下建立仿真模型。光伏電池組件廠商會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)工況下參數(shù)，最大功率點(diǎn)電壓Vm=17.0V，最大功率點(diǎn)電流Im=4.4A，開(kāi)路電壓VOC=21.8V，短路電流Iph=4.80A。模型可以根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（環(huán)溫25℃，光照為1000W/m2）得到標(biāo)準(zhǔn)情況下的輸出特性曲線。當(dāng)輻照度與溫度發(fā)生變化時(shí)模型就不適用了。需要重新來(lái)描述新的輸出特性曲線，一般可采用方法如下：

（1）計(jì)算出一般工況與標(biāo)準(zhǔn)工況的溫度差△T和限度輻照差△S：△T=T-Tref，△S=S/Sref-1。

（2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度Tref和f標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度Sre下的Iph、VOC、Im、Vm推算出一般工況（輻照度S和溫度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。首先，按照下列公式[3]分別計(jì)算一般工況（輻照度S和溫度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。

式中系數(shù)α，β，γ的典型值為α=0.0025/℃，β=0.5，γ=0.00288/℃。將所求新工況下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`取代標(biāo)準(zhǔn)工況下的Iph、VOC、Im、Vm，求得新工況下的C1`，C2`，可進(jìn)一步利用式（1）求出新工況下的輸出特性，解決任意輻照度和溫度下的輸出特性計(jì)算。

采用MATLAB/Simulink軟件搭建光伏電池的仿真模型如圖1所示。

圖2為溫度T=25℃，光照強(qiáng)度S分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2時(shí)，光伏電池的V-I、P-V特性曲線族。由該曲線可以判斷出光伏電池的輸出特性呈規(guī)則非線性，并且每一種工況下曲線都各有最大功率點(diǎn)。隨著輻照強(qiáng)度的變化，開(kāi)路電壓VOC變化并不明顯，而短路電流Isc則有較明顯變化。最大功率點(diǎn)功率Pm隨輻照度的變化也有明顯變化。

圖3為輻照度S=1000W/m2時(shí)，溫度分別為0℃、25℃、50℃，光伏電池的V-I、P-V特性曲線族。由該曲線可以判斷，當(dāng)隨溫度變化時(shí)開(kāi)路電壓VOC線性變化，短路電流Iph的變化較微弱，最大功率點(diǎn)Pm也有很大的變化。

從仿真分析可知，隨著光強(qiáng)和溫度的變化，對(duì)光伏電池的輸出特性影響較大，輸出特性體現(xiàn)出嚴(yán)重的非線性，在工作環(huán)境（光強(qiáng)和溫度）確定時(shí)P-V曲線上都會(huì)有一個(gè)最大功率點(diǎn)，仿真結(jié)果符合實(shí)際的光伏電池輸出特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)光伏電池等效電路模型，通過(guò)計(jì)算公式推導(dǎo)得到在光照和溫度影響下準(zhǔn)確描述光伏電池輸出電壓和電流關(guān)系的方程組，并利用MATLAB/simulink平臺(tái)搭建仿真模型。仿真結(jié)果說(shuō)明，只需要光伏模組廠家提供的通用基本參數(shù)就可以得到非常接近于實(shí)際環(huán)境下的光伏電池輸出特性曲線，與光伏電池理想等效模型相比，該模型并不需要復(fù)雜的參數(shù)。當(dāng)光伏陣列中的某幾個(gè)光伏組件的光照強(qiáng)度不一致時(shí)，只需要將該模型參數(shù)稍加修改，就可以用于光伏陣列在局部陰影下的仿真研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王長(zhǎng)江，基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型[J].電力科學(xué)與工程，2009，25（4）：11-14.

[2]周德佳，趙爭(zhēng)鳴.基于仿真模型的太陽(yáng)能光伏電池陣列特性的分析[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（7）：1109-1102.

[3]張興，曹仁賢，等.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：41-46.