基于Simulink的光伏電池建模仿真及輸出特性分析

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 李孟帥 唐 磊 杜 康

為了實(shí)現(xiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)處工作，必須研究光伏電池的輸出特性。文中根據(jù)光伏電池的等效電路建立其數(shù)學(xué)模型，并基于simulink仿真模塊，搭建了光伏電池的仿真模型。該模型能模擬在不同的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下光伏電池的P-U以及I-U輸出特性曲線，仿真結(jié)果驗(yàn)證了光伏電池模型的準(zhǔn)確性。

引言：隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，常規(guī)能源如：煤、石油等作為世界各國(guó)主要的能源必將導(dǎo)致能源的日益枯竭，而且這些能源燃燒后的物質(zhì)還會(huì)污染周圍環(huán)境以及空氣。因此，尋找新的可再生的清潔能源成為世界各國(guó)首要的目標(biāo)。太陽(yáng)能由于遍布廣泛，而且取之不盡用之不竭等優(yōu)點(diǎn)成為最理想的新型能源。目前利用和發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電是各國(guó)研究的首要任務(wù)。本文基于simulink仿真模塊，建立了光伏電池的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真，得到光伏電池在不同的外界環(huán)境條件下的輸出特性曲線，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的功能為能量轉(zhuǎn)換，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。其基本構(gòu)造為半導(dǎo)體的P-N結(jié)。因此，在光照強(qiáng)度不變的情況下，可以認(rèn)為光生電流Iph也不變，即光生電流Iph只與光照強(qiáng)度有關(guān)，由此可將其看成一個(gè)電流源。光生電流Iph有一部分流過(guò)P-N結(jié)二極管，這一部分電流稱之為暗電流，即Id。根據(jù)實(shí)際情況，電池本身也會(huì)具有電阻，由于電阻一般有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，因此，在光伏電池內(nèi)部，串聯(lián)電阻為Rs，并聯(lián)電阻為Rsh。圖1所示為光伏電池等效電路圖。

圖1 光伏電池的等效電路

圖1中，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得光伏電池的輸出電流為：

式(1)中：Iph為光生電流；Id為流過(guò)二極管的電流；Iph為并聯(lián)支路電流。其中，暗電流與電壓的關(guān)系為：

式(2)中：I0為二極管反向飽和電流；為電荷電量；K為玻爾茲曼常數(shù)，其值為為二極管曲線因子，一般取1；T為太陽(yáng)能表面絕對(duì)溫度；Rs為串聯(lián)電阻；U為光伏電池輸出電壓。根據(jù)KVL可得：

式(3)中Rsh為并聯(lián)電阻。將(2)式和(3)式代入(1)式，可得：

式(4)為光伏電池的輸出電流的數(shù)學(xué)模型，在simulink中基于式(4)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，一般先進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型來(lái)搭建模塊。

（1）光伏電池等效電路中，其串聯(lián)電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于并聯(lián)電阻Rsh，因此流過(guò)并聯(lián)電阻Rsh的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流過(guò)串聯(lián)電阻Rs的電流，因此，可以將并聯(lián)支路的電流Rsh的電流忽略不計(jì)。

（2）光伏電池等效電路中，其串聯(lián)電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于P-N結(jié)導(dǎo)通電阻，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，可以認(rèn)為短路電流Isc就等于光生電流Iph。

（3）在搭建模型的過(guò)程中，在標(biāo)準(zhǔn)外界條件下，光伏電池的開(kāi)路電壓U等于標(biāo)準(zhǔn)外界條件下開(kāi)路電壓Uoc。最大功率點(diǎn)處的電壓U等于標(biāo)準(zhǔn)外界條件下的電壓Um。

由上述簡(jiǎn)化分析，式(4)可以化為式(5)：

將最大功率點(diǎn)處的電壓和電流代入式(5)整理可得：

將A的值代入式(5)，并根據(jù)開(kāi)路條件，整理可得：

上述模型與實(shí)際的環(huán)境有一定偏差，因此需要對(duì)其進(jìn)行修正。修正系數(shù)公式如下：

2 光伏電池建模及仿真

根據(jù)光伏電池的輸出電流表達(dá)式以及修正系數(shù)公式，可以建立光伏電池的模型，為了研究光伏電池的輸出特性曲線，按圖2所示搭建光伏電池的仿真模型。

圖2 光伏電池的仿真模型

3 輸出特性分析

在simulink中創(chuàng)建了模型后，輸入設(shè)定的參數(shù)值，就可以進(jìn)行仿真了。在保持外界環(huán)境溫度為不變時(shí)，不斷調(diào)整光照強(qiáng)度，得到光伏電池的P-U，I-U曲線如圖3所示，光照強(qiáng)度分別取

圖3 特性曲線

圖4 特性曲線

通過(guò)上述的仿真結(jié)果可以看出，光照強(qiáng)度和外界環(huán)境溫度都會(huì)影響光伏電池的輸出特性。在保持溫度不變時(shí)，光伏電池的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度的增大而增大，由圖3可以看出光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的電流影響比較大，對(duì)電壓的影響較小；在保持光照強(qiáng)度不變，當(dāng)外界環(huán)境溫度增大時(shí)，光伏電池的開(kāi)路電壓減小，短路電流增大，最大輸出功率減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

根光伏電池的等效電路建立其數(shù)學(xué)模型，分析了光伏電池的工程應(yīng)用模型，在Simulink中搭建了其仿真模型并進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所搭建光伏電池模型的正確性以及得到了不同外界環(huán)境條件下輸出特性曲線，并根據(jù)曲線分析出影響光伏電池輸出特性的因素，為后面實(shí)現(xiàn)MPPT提供理論依據(jù)。