光伏陣列在不均勻光照下的輸出特性仿真研究

趙品

摘要：文章以Matlab/Simulink為工具建立仿真模型，得到在不均勻光照下光伏陣列的輸出特性。根據光伏發電的原理和光伏電池的內部結構，在simulink中搭建模型光伏陣列的模型。在不同的光照條件下，通過對模型的仿真得到I-U曲線和P-U曲線，根據仿真結果對輸出特性進行總結并得出結論。

關鍵詞：光伏陣列；不均勻光照；輸出特性；信真模型；Matlab；Simulink 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM914 文章編號：1009-2374（2015）29-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.012

1 光伏發電的基本原理

1.1 光伏電池的數學模型

光伏電池的等效電路如圖1所示，圖中，為光生電流，取決于光伏電池的面積和入射光的輻照度和本體的溫度；為暗電流，是光伏電池無光照時由外電壓作用下PN結流過的單向電流；為負載電流；為開路電壓，與入射光的輻照度的對數成正比，與環境溫度成反比；為串聯電阻，一般小于1歐姆；為旁路電阻，一般為幾千歐姆；I0為無光照時的飽和電流；為短路電流。

圖1 光伏電池等效電路

滿足：

（1）

式（1）中，；；為常數因子，正偏電壓大時取1，小時取2，一般取1.3；為環境絕對溫度。

1.2 光伏電池輸出特性的工程計算方法

廠家一般提供的參數有標準測試條件下的、

、（最大功率）、（最大功率點電流）和（最大功率點電壓）。

任意工況下的特性為式（2）：

忽略串聯和并聯電阻，可得式（3）：

標準測試條件下，，，式（3）可以表示為：

一般工況下，輻照度和溫度與標準工況的相應參數的差為：

一般工況下的參數計算為：

以上公式中，，，。

2 仿真探索不均勻光照下光伏陣列的輸出特性

2.1 模型介紹

模型中每一個光伏電池都并聯了一個旁路二極管，但只并聯旁路二極管時運行中會報錯，因此旁路二極管旁又并聯一個電阻，光伏陣列模塊由4個光伏電池串聯。光伏電池模塊如圖2所示：

圖2 光伏電池模塊

用以上模型仿真，將光伏陣列的輸出電壓、輸出電流、輸出功率導入matlab的workspace當中，即可畫出相應的光伏陣列輸出特性曲線。

2.2 不均勻光照下光伏陣列的輸出特性

2.2.1 一種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照均設為時，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖3（a）和3（b）所示：

圖3 一種光照時光伏陣列的輸出特性

觀察圖3，在I-U特性曲線中，光伏陣列的開路電壓即為4個光伏電池串聯后的開路電壓，；光伏陣列的短路電流即為4個光伏電池串聯后的短路電流，。P-U特性曲線中，光伏陣列最大功率點電壓為，最大功率為，。仿真所得圖線與理論計算結果一致。

2.2.2 兩種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖4圖4 兩種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.3 三種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖5（a）和5（b）所示：

圖5 三種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.4 四種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖6（a）和6（b）所示：

圖6 四種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.5 不均勻光照下光伏陣列的輸出特性仿真總結。（1）當整個光伏陣列中只有一種光照時，其I-U特性曲線上只有一個膝點，其P-U特性曲線上只有一個峰值；（2）當某塊光伏電池被遮擋時，由于所接受到的光照下降，導致被遮擋的光伏電池的I-U特性曲線上短路電流的下降，同時由于遮擋導致光伏電池溫度升高，其相應的開路電壓也會相應減小。因此，當光伏陣列中的某塊電池被遮擋時，其光伏陣列的輸出特性會發生變化，即整個光伏陣列的I-U特性曲線上會出現多個膝點，而對應的P-U特性曲線上可能會出現多個峰值；（3）當有個光伏電池串聯，有（）種光照時，光伏陣列的I-U特性曲線將有個膝點，P-U特性曲線可能會出現個波峰。

參考文獻

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（責任編輯：周 瓊）