基于Matlab的光伏電池板的建模與仿真

王新堂

【摘要】對光伏電池板的工作原理進行簡要分析并給出了其等效電路，建立了光伏池板的數學模型，在matlab/simulink仿真環境下搭建新的光伏池板的仿真模型?；谠撔路抡婺Ｐ湍M了不同太陽光照強度、不同環境溫度下的電流—電壓（I-V）、功率—電壓（P-V）特性曲線。仿真結果與理論上的I-V、P-V曲線完全吻合，證明了新仿真模型的合理性與實用性。對于光伏電池板在現實中的應用具有重要實際意義并對利用恒壓法實現光伏電池板的最大功率點跟蹤提供理論依據。

【關鍵詞】光伏;電池板;數學模型;仿真

隨著人類社會的發展與進步，全球對能源的需求量越來越大，然而石油、煤炭等能源都是非可再生的，并且大量的化石燃料的使用給人類的生存環境造成的巨大的損耗，如全球變暖、環境污染。因此尋求新的清潔能源以代替上述非可再生能源迫在眉睫，近年來，太陽能作為取之不盡，用之不竭且清潔無污染的能源得到了廣泛關注與顯現了很好的發展前景[1]。光伏電池板是光伏并網系統中關鍵部件，但是光伏電池板造價昂貴，對太陽光照強度、環境溫度、氣候條件等外界條件依賴性較強，而光伏池板的I-V、P-V曲線是隨著光照強度、環境溫度變化并且此變化時非線性的，所以建立光伏池板的數學模型并在Matlab/simulink仿真環境下搭建仿真模型，模擬電池板I-V、P-V曲線有重要的實際意義，對于光伏電池板的最大功率點跟蹤提供理論依據。

1.光伏電池板的工作原理與等效電路

光伏電池板是利用半導體材料的光伏效應的原理制造的，光伏效應就是半導體在接受光照后，激發出電子空穴對分離從而產生電動勢的一種現象。光伏池板是將太陽輻射能轉換為電能的器件，當光照射在P-N結時，半導體吸收光能后其內部的原子獲得光能后產生電子空穴對，并發生漂移運動而分離，電子進入N區，空穴進入P區，從而在P-N結附近形成電場， N區因電子帶負點，P區因空穴帶正電。

由光伏池板的工作原理我們可以得出，光伏電池板實際上是一塊面積比較的二極管。在光照不變的情況下，光生電流不變，可以看成恒流源。為了方便等效電路的建立，我們做如下等效：用串聯電阻Rs等效池板材料呈現的電阻特性（通常為幾Ω）、Cj表示PN結本身的電容特性，用Rsh表示電池板的并聯電阻（數量級在103Ω），綜上所述光伏池板的等效電路如圖1.1所示：

圖1.1 光伏池板的等效電路

圖中，IL為光生電流（恒流源）， I為太陽能電池板輸出電流（A），U為電池板的輸出電壓（V），Id是流過二極管的電流（A），I0為反向飽和電流，Ish為太陽能電池板的漏電流（A）。

2.光伏電池板的數學模型

在圖1.1中，可以得出：

（2-1）[3]

式中：n為二極管品質因子（當T=330K時，n=2.8±0.15），K為波爾茲曼常數（K=1.38×J/K）。

我們做如下定義：

在特定的溫度與光照強度下，電池板輸出的最大電流為短路電流，記為Isc。

在特定的溫度與光照強度下，電池板輸出的最大電壓為開路電壓，記為Uoc。

在特定的溫度與光照強度下，電池板輸出的最大功率點所對應的電壓為最大功率點電壓，記為Um。

在特定的溫度與光照強度下，電池板輸出的最大功率點所對應的電流為最大功率點電流，記為Im。

在式1-1中，因為Rsh很大，所以可以忽略最后一項，又因為通常情況下Rs很小，近似的認為Isc=IL。則式2-1可化簡為：

（2-2）

其中：

但實際中還要考慮外界溫度和光照強度的變化，最終的光伏池板光生電流的計算公式為：

（2-3）

其中：

T為外界實際溫度，Tref為參考溫度，S為外界實際光照強度，Sref為參考光照強度，a、 b分別為在參考溫度與日照強度下的電流變化溫度系數與電壓變化溫度系數[4]。

3.光伏池板仿真模型與仿真結果

根據第二節節數學模型。在matlab/simulink中搭建光伏池板的仿真模型，池板仿真參數如表3.1所示：

表3.1 仿真參數

參數 ? ? ? ? ? ?取值

Voc

Isc

Vm

Im

a

b ? ? ? ? ?21.1V

3.846A

17.1V

3.5A

0.00065

0.0005

光伏池板外部封裝與內部仿真模型分別如圖3.1、3.2所示：

圖3.1 光伏池板的外部封裝

圖3.2 光伏池板的內部仿真模型

基于上述仿真模型，為了模擬光伏池板在現實中的輸出曲線的變化，我們分別對電池板在溫度相同而光照強度不同（其中溫度T=25℃，光照強度分別取1000W/㎡、800W/㎡、600W/㎡、400W㎡），光照強度相同而溫度不同（其中光照強度S=1000W/㎡，溫度分別取25℃、35℃、40℃、50℃、）兩種條件下進行仿真，仿真得到電池板在兩種不同外界條件下的電流-電壓（I-V）曲線，功率-電壓（P-V）曲線分別如圖3.3、3.4所示：

圖3.3 相同溫度，不同光照強度下的I-V、P-V特性曲線

圖3.4 相同光照強度，不同溫度下的I-V、P-V特性曲線

由圖3.3可以看出，在溫度相同的情況下，光照強度越大，池板輸出功率越大且短路電流Isc與光照強度成正比，光照強度變化時，池板輸出電流變化較大，而池板的開路電壓，同時最大功率點電壓Um變化不大，這為恒壓法實現光伏池板最大功率點追蹤提供了理論依據。

由圖3.4可以看出，在光照強度相同的條件下，溫度升高時光伏池板的最大輸出電壓Um成下降趨勢，輸出功率與最大輸出電流都有所增加但不是很明顯，從而導致溫度升高時池板最大輸出功率變小。

4.結論

本文通過介紹池板的工作原理得出光伏池板的等效電路，進一步推導出光伏池板光生電流的計算公式，建立了其數學模型。同時在matlab/simulink中建立新的池板仿真模型，模擬池板在外界環境條件變化的情況下的輸出電流-電壓、功率-電壓特性曲線，仿真結果與理論上的I-V、P-V曲線完全吻合，證明了該新型仿真模型的合理性與實用性，對于光伏電池板在現實中的應用具有重要實際意義并對利用恒壓法實現光伏電池板的最大功率點跟蹤提供理論依據。

參考文獻

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