基于Matlab/Simulink的光伏電池輸出特性仿真研究

唐 俊，周海峰，王榮杰，葉曉軍

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

基于Matlab/Simulink的光伏電池輸出特性仿真研究

唐 俊1,2，周海峰1,2，王榮杰1,2，葉曉軍1,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361021)

在清潔能源飛速發(fā)展的今天，以太陽(yáng)能為首的清潔能源已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文采用Matlab/Simulink仿真模塊，建立一種以太陽(yáng)能光伏電池基本參數(shù)為基礎(chǔ)的光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，利用該模型能模擬在不同的太陽(yáng)輻照度和工作溫度下不同光伏模塊的光伏電池P-U與I-U輸出特性，仿真結(jié)果驗(yàn)證了此模型的準(zhǔn)確性。

光伏電池；數(shù)學(xué)模型；Matlab仿真

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)引發(fā)的能源消耗達(dá)到了前所未有的程度。常規(guī)化石燃料能源不僅越來(lái)越滿足不了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，而且因化石燃料的過(guò)度消耗引起的全球變暖以及生態(tài)環(huán)境惡化給人類(lèi)帶來(lái)了更大的生存威脅，能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展已成為人類(lèi)最為關(guān)注的重大問(wèn)題之一。同時(shí)由于，太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有最理想的可持續(xù)發(fā)展特征：最豐富的資源和最清潔的發(fā)電過(guò)程；目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為世界可再生能源發(fā)展的一大方向；光伏電池的輸出特性不僅與本身模塊的內(nèi)部參數(shù)有關(guān)，而且還隨著外界溫度和光照的改變而實(shí)時(shí)變化[1]，文中通過(guò)分析光伏模塊的直流物理模型，應(yīng)用Matlab/Simulink仿真軟件研究設(shè)計(jì)了一種光伏電池的通用模型，該模型在給定的光伏模塊參數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率點(diǎn)電流Im下，改變太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和工作溫度，考慮其對(duì)光伏輸出特性的影響。仿真研究結(jié)果表明，該簡(jiǎn)化光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，且具有較高的準(zhǔn)確性。

1 光伏電池等效電路和數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，它的基本構(gòu)造是由半導(dǎo)體的P-N結(jié)組成。基本特性與二極管類(lèi)似，其等效電路由產(chǎn)生光生電流的恒流源及一系列電阻(內(nèi)部并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs)組成[2-3]，一類(lèi)是串聯(lián)電阻，另一類(lèi)是并聯(lián)電阻(又稱(chēng)旁路電阻)，前者主要是由由于半導(dǎo)體材料的體電阻、金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、擴(kuò)散層橫向電阻以及金屬電極本身的電阻四個(gè)部分產(chǎn)生的Rs；后者主要是由于電池表面污染、半導(dǎo)體晶體缺陷引起的邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流等原因產(chǎn)生的旁路電阻Rsh。太陽(yáng)能電池等效電路如圖1所示[4]。

圖1 光伏電池的等效電路

由KCL(基爾霍夫電流定律)可得到公式：

Iph-ID-Ish-I=0

即

I=Iph-ID-Ish。

(1)

式中：I為流過(guò)負(fù)載兩端的工作電流；Iph為光生電流；ID為流過(guò)二極管P-N結(jié)的電流；Ish為流過(guò)并聯(lián)電阻Rsh的電流。ID表達(dá)式為：

(2)

式中：I0為二極管反向飽和電流(A)；K為玻耳茲曼常數(shù)，為1.38×10-23J/K；T為太陽(yáng)能表面絕對(duì)溫度(K)；A為二極管的曲線因子,取值在1～2之間；q為電子電量；為1.6×10-19C。

在旁路電阻Rsh兩端的電壓，因此流過(guò)旁路電阻Rsh的電流Ish為 ：

(3)

式中：U為二極管輸出電壓(V)；Rs為串聯(lián)電阻Rs的阻值(Ω)。將式(2)、(3)代入式(1)，可得光伏電池輸出的電流表達(dá)式為：

(4)

從公式(4)可知，光伏電池的串聯(lián)電阻Rs越小，并聯(lián)電阻Rsh越大，該太陽(yáng)電池的性能越好，輸出電流I越大。而實(shí)際上，Rs為低阻值，一般Rs的阻值通常小于1Ω，Rsh一般為幾千歐[5]。同時(shí)根據(jù)KVL(基爾霍夫電壓定律)，UD與輸出電壓U的關(guān)系：

UD=U-IR。

(5)

這樣就有Ish≈Isc,UD≈U,于是公式(4)可以化簡(jiǎn)為：

(6)

(7)

(8)

式中：U、I為電池的輸出電壓和電流；C1、C2為修正系數(shù)。

上述數(shù)學(xué)模型還與實(shí)際環(huán)境存在一定偏差，所以應(yīng)該進(jìn)行修正。忽略一些次要因素的影響，根據(jù)廠商提供的單晶硅太陽(yáng)能電池作為參考。在環(huán)境條件改變時(shí)，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和工作溫度變化，其性能也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，所以要對(duì)光伏電池的四個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行修正，得到接近實(shí)際的光伏電池模型，修正系數(shù)公式[6]：

(9)

DU=[1-c(T-Tref)]ln[e+b(S-Sref)]。

(10)

(11)

(12)

式中：Isc、Uoc、Im、Um為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考技術(shù)值；Sref為太陽(yáng)光強(qiáng)參考值1 000W/m2；Tref為電池參考溫度值25 ℃；S、T為任意時(shí)刻太陽(yáng)輻照度和電池工作溫度；a和c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，b為光強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)，其中a=0.002 5 ，b=0.000 5 ，c=0.002 88。[7]

2 光伏電池建模仿真

下面運(yùn)用Simulink對(duì)該光伏電池模型進(jìn)行仿真[8-11]。

從上面公式可知得到光伏電池實(shí)用仿真模型不需要復(fù)雜的參數(shù)，只需要四個(gè)基本性能參數(shù)即可模擬在不同輻照度和溫度條件下的光伏電池輸出特性。以式(6)為基礎(chǔ)，根據(jù)公式(9)和公式(10)建立DI和DU子模塊，將這兩個(gè)子模塊封裝后，根據(jù)公式(11)和公式(12)建立修正后的Isc、Im、Uoc和Um子模塊。圖2為該模型的封裝模塊，并在內(nèi)封裝Isc、Uoc、Im、Um以及Sref、Tref參

數(shù)。以DPL5M36-85為例，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，即S=1kW/m2，T=25 ℃，AM=1.5 的測(cè)試條件下4個(gè)技術(shù)參數(shù)： 短路電流Isc=5.45A、開(kāi)路電壓Uoc=22.2V、最大功率點(diǎn)電流Im=4.95A和最大功率點(diǎn)電壓Um=17.2V。參數(shù)設(shè)置圖3所示。該封裝模塊輸入實(shí)際的光照強(qiáng)度和溫度，輸出修正后的Isc、Uoc、Im和Um。圖4為光伏電池模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 封裝模塊

圖3 仿真電路參數(shù)設(shè)置

圖4 電流輸出模塊

輸出功率是光伏電池的一個(gè)重要參數(shù)，且在一定光強(qiáng)和溫度下都有最大功率點(diǎn)，輸出功率由公式(13)決定：

(13)

根據(jù)公式(7)和公式(8)和公式(13)即可建立光伏電池模型，如圖5所示。將內(nèi)部模型進(jìn)一步封存，將輸出功率P，電壓U,電流I連接到ToWorkplace模塊，以便于輸出特性曲線。

圖5 光伏電池Simulink模型

3 光伏電池輸出結(jié)果及輸出特性分析

模型構(gòu)造完成后輸入光伏電池參數(shù)，就可以仿真得到光伏電池的輸出特性曲線。

在電池工作溫度為25 ℃時(shí)，太陽(yáng)輻照度分別為0.6kW/m2，0.8kW/m2，1kW/m2，1.2kW/m2時(shí)光伏電池的P-U，I-U曲線如圖6、7所示。

圖6 光伏電池P-U隨光照強(qiáng)度變化曲線

圖7 光伏電池I-U隨光照強(qiáng)度變化曲線

在太陽(yáng)輻照度為1kW/m2時(shí)，工作溫度分別為0，15，25，35，50 ℃時(shí)光伏電池的P-U，I-U曲線如圖8、9所示。

圖8 光伏電池P-U隨工作溫度變化曲線

圖9 光伏電池I-U隨工作溫度變化曲線

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以知道，光伏電池輸出特性隨太陽(yáng)輻照度和工作溫度影響較大。具體來(lái)說(shuō)，在工作溫度一定時(shí)，光伏電池開(kāi)路電壓，短路電流和最大輸出功率均隨著太陽(yáng)輻照度的增大而增大；在太陽(yáng)輻照度一定而工作溫度增大的過(guò)程中，光伏電池的開(kāi)路電壓減小，短路電流卻逐漸增大，最大輸出功率在減小。光伏電池的輸出特性曲線具有非線性，而且有最大功率點(diǎn)，最大功率點(diǎn)隨著太陽(yáng)輻照度和工作溫度的改變而改變。所以為了提高光伏電池的效率，一方面要使照射到光伏板上的太陽(yáng)輻照度盡可能的大，盡量能夠垂直于光伏電池板，另一方面需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，理論上在一定的太陽(yáng)輻照度和工作溫度的條件下，伏安特性曲線上任何一點(diǎn)都是工作點(diǎn)，曲線上得到一點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流Im和電壓Um的功率乘積最大，保證光伏電池工作一直在最大功率點(diǎn)附近，提高能量的轉(zhuǎn)化效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

光伏電池的輸出特性不僅與自身參數(shù)有關(guān)，還與太陽(yáng)輻射度和電池工作溫度有關(guān)。本文利用Matlab/Simulink建立模型，只需根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的4個(gè)基本參數(shù)即可完成在不同太陽(yáng)輻射度和工作溫度下的光伏電池特輸出性曲線，基本參數(shù)也可以在模塊中更改，可以仿真不同型號(hào)的光伏電池。該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仿真結(jié)果與理想條件下的光伏電池輸出特性曲線基本一致，為研究最大功率點(diǎn)的控制與太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用提供了便利的條件。

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Research on Characteristics of Photovoltaic Cells Based on Matlab/Simulink

TANG Jun1,2, ZHOU Hai-feng1, 2, WANG Rong-jie1, 2, YE Xiao-jun1, 2

(1. Marine Engineering Institute of Jimei University Xiamen 361021; 2. Provincial Key Laboratory of Naval Architecture & Ocean Engineering, Xiamen 361021, China)

With the fast development of clean energy, solar led clean energy have been paid more attention by domestic and international, In this paper, establishment of a photovoltaic cell output characteristics based on solar photovoltaic array module parameters The model can simulation any solar radiation intensity, ambient temperature output characteristics. The simulation results verify the design accuracy of Photovoltaic model.

Photovoltaic Cells；Mathematical model；Matlab Simulink

2014-10-15

2014-12-20

唐 俊(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍鍧嵞茉吹睦谩?/p>

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179074、51309116)；四川省智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(201312270005)；李尚大基金(ZC2013012)集美大學(xué)博士啟動(dòng)金(ZQ2013001、ZQ2013007)；產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(S13060)

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.001

TP391. 9

A

1009-3230(2015)01-0001-05