太陽能光伏電池建模及仿真研究

邢廣成，陳 芳

?

太陽能光伏電池建模及仿真研究

邢廣成，陳 芳

（河南城建學院電氣與控制工程學院，河南平頂山 467036）

根據(jù)太陽能光伏電池的工作原理，建立以太陽能光伏電池輸出特性為基礎的等效數(shù)學模型，能夠近似得到太陽能光伏陣列在某一光照強度和溫度條件下的輸出特性。采用Simulink建立太陽能光伏陣列的仿真數(shù)學模型，仿真結果表明該模型的正確性。通過分析研究模型數(shù)據(jù)，為光伏系統(tǒng)最大功率控制器的進一步設計奠定基礎。

太陽能光伏電池 數(shù)學模型 仿真

0 引言

中國是最大的發(fā)展中國家，化石能源的大量使用必將排放大量的溫室氣體，造成嚴重的空氣污染，光伏事業(yè)任重而道遠。因此，將太陽能電池快速地融入能源市場，降低成本、提高轉換效率同時提高產(chǎn)率，成為我國能源發(fā)展的當務之急。光伏系統(tǒng)是將太陽能轉化成為電能的一種裝置，要提高太陽能電池的轉化效率，首先要把光伏電池的輸出特性掌握清楚。然而太陽能電池輸出不僅與內(nèi)部結構參數(shù)相關，還與外部環(huán)境溫度和光照強度相關，受制于實驗條件、環(huán)境因素以及昂貴的研發(fā)費用制約，因此建模仿真成為光伏系統(tǒng)設計與研究的重要方法途徑。[1,2]本文以無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列為研究基礎，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏陣列的數(shù)學模型，仿真結果表明，該數(shù)學模型簡單，并且具有較高的準確性，通過分析輸出特性，為光伏控制系統(tǒng)最大功率控制設計打下堅實基礎[3]。

1 光伏電池輸出特性及數(shù)學模型

光伏電池在功能上相當于一個半導體二極管，當太陽光直接照射到光伏電池上時，光伏電池通過光生伏特效應將光能直接轉換成電能。其等效電路圖如圖1所示。I為穩(wěn)定狀態(tài)下的負載電流；I為電池P-N結中的正向電流，I為在光照條件下，光伏電池產(chǎn)生的光生恒流電流。

圖1 光伏電池的理想等效圖

光伏陣列由多個光伏電池并聯(lián)或串聯(lián)組合而成，光伏電池組串聯(lián)可以提高系統(tǒng)輸出的最大直流電壓，光伏電池組并聯(lián)可以提高系統(tǒng)輸出的最大直流電流，因此可以根據(jù)實際情況并聯(lián)或串聯(lián)得到理想的直流電流或直流電壓。光伏模塊最重要的兩個參數(shù)是短路電流和開路電壓，光伏電池組的輸出特性方程為：

式中，I：穩(wěn)定狀態(tài)下的負載電流；

0：在沒有光照的情況下，電池P-N結的反向飽和電流，一般與光伏電池的材料有關，是一個常值；

I：在光照條件下，光伏電池產(chǎn)生的光生恒流電流，光照強度越大，光生電流越大；

：理想因子；q：電子電荷，1.6×10-19C； K：波皮茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；

n：光伏電池串聯(lián)個數(shù)；n：光伏電池并聯(lián)個數(shù)。

2 光伏電池Simulink模型建立

采用MATLALB軟件Simulink工具箱建立光伏電池數(shù)學模型模型。為了便于仿真分析，將光伏電池模型封裝為圖2模型模塊，該模型可以在任意溫度和光照條件下，將光伏電池的輸出特性保存到Matlab中去，以便于采集和繪制各種輸出特性曲線[4-6]。

仿真的參數(shù)根據(jù)無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列，其各項參數(shù)如表1所示，它由36個多晶硅光伏電池串聯(lián)組成，可以得到該光伏電池組件的輸出特性方程：

表1 光伏陣列在標準測試條件下的參數(shù)

3 仿真結果及分析

可以按照圖2所示光伏陣列模型進行仿真，通過改變環(huán)境溫度T以及光照強度S，可以得到不同環(huán)境下光伏陣列的輸出特性曲線。

在環(huán)境溫度為25 ℃，光照強度為1000 W/m2時，光伏陣列的輸出特性曲線如圖3-a、3-b所示。

光伏陣列的輸出特性與外界環(huán)境溫度有關，通過改變光伏陣列的溫度，輸出特性曲線如圖4-a、4-b所示。

當光照強度不變，環(huán)境溫度發(fā)生改變時，光伏陣列的開路電壓和短路電流也隨之發(fā)生改變，且光伏陣列的溫度越高，開路電壓越小，而短路電流雖有上升，但是幅度不大。隨著溫度的升高，光伏陣列的輸出功率會減小。

圖3-a 標準測試條件下光伏陣列伏安特性圖

圖3-b 標準測試條件下光伏陣列功率電壓特性圖

圖4-a 不同溫度下光伏陣列伏安特性圖

圖4-b 不同溫度下光伏陣列功率電壓特性圖

光伏陣列將光能轉化成電能，顯而易見，光伏陣列的輸出特性與光照強度有關，改變光伏陣列的光照強度，輸出特性曲線如圖5-a、5-b所示。

由上圖可知，當溫度不變時，光照強度對光伏陣列的輸出特性曲線影響較大，光照強度越大，光伏陣列的短路電流越大，而開路電壓變化并不大，且光伏陣列的輸出功率隨著光照強度的增強而增大。

4 結論

本文從光伏電池的物理電路模型出發(fā)，建立了其簡化的數(shù)學模型，其輸出特性與外部環(huán)境溫度和光照強度密切相關。以無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列為研究基礎，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏陣列的數(shù)學模型，仿真結果表明，該數(shù)學模型簡單，具有較高的準確性，通過分析輸出特性，為光伏控制系統(tǒng)的進一步設計打下堅實基礎。

圖5-a 不同光照條件下光伏陣列伏安特性圖

圖5-b 不同光照條件下光伏陣列功率電壓特性圖

[1] 白建華, 辛頌旭, 劉俊等.中國實現(xiàn)高比例可再生能源發(fā)展路徑研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(14): 64-68.

[2] 孔凡太，戴松元. 我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來展望[J]. 中國工程科學, 2016, 18(04): 51-54.

[3] 薛家祥, 鐘良文, 張思章, 張紅衛(wèi), 廖天發(fā), 張曉莉.光伏系統(tǒng)中擾動觀察法的控制方法研究[J]. 電氣傳動, 2013, 43(03): 40-44.

[4] 胡長武，李寶國，王蘭夢，騰寧寧. 光伏電池簡化數(shù)學模型的Matlab/Simulink仿真研究[J]. 可再生能源, 2013, 31(10): 20-24.

[5] 曹龍漢, 余佳玲, 李景南, 陳福光.基于Matlab/Simulink的光伏電池仿真建模研究[J]. 半導體光電, 2015, 36(5): 718-721.

[6] 符江升, 肖大帥, 楊欽超. 基于Matlab/Simulink的光伏電池仿真模型研究[J]. 電子元器件應用, 2012, 14(2): 44-46.

Solar Photovoltaic Cell Modeling and Simulation Research

Xing Guangcheng, Chen Fang

(Henan College of Urban Construction, Pingdingshan 467036, Henan, China)

TP29

A

1003-4862（2019）02-027-03

2018-10-23

邢廣成（1981-），男，講師。研究方向：計算機智能控制。E-mail: carrysi@foxmail.com