光伏電池實用模型研究

何文濤，解立輝

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

光伏電池實用模型研究

何文濤，解立輝

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

本文介紹一種簡化光伏電池工程應(yīng)用模型，根據(jù)此模型模擬模擬任意外界溫度、光照強度、光伏模塊參數(shù)、電池串并聯(lián)方式下組合下的光伏陣列U-I、U-P曲線。模型內(nèi)部參數(shù)有效的進(jìn)行優(yōu)化處理， 較好地反應(yīng)了電池實際特性。MATALB軟件建立仿真模型，將仿真結(jié)果與實際參數(shù)進(jìn)行對比，效果較好。

光伏電池；U-I曲線；U-P曲線；MATLAB仿真

1 引言

環(huán)境問題儼然成為人類關(guān)注的焦點，低碳生活、可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為我國未來發(fā)展的方向[1]。提到節(jié)能減排就不得不提光伏發(fā)電，光伏發(fā)電頂著清潔發(fā)電的光環(huán)，成為大家討論已近研究的熱點。本文通過MTALAB仿真軟件搭建數(shù)學(xué)模型，通過仿真得到光伏電池的輸出的U-I、U-P曲線，仿真結(jié)果非常接近實際輸出，設(shè)計是正確的。

2 光伏電池理想數(shù)學(xué)模型[2]

太陽能電池等效電路如圖1所示。

(1)

Iph為光伏陣列電流；Io為反向飽和電流；q為電子電荷(1.6×1019C)；n為二極管因子；K為玻耳茲曼常數(shù)(1.38×1023J/K)；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為并聯(lián)電阻。理論模型中的參數(shù)Iph、Io、Rs、n很難確定。

圖1 太陽能電池等效電路

3 光伏電池實用模型[3-4]

廠家提供標(biāo)準(zhǔn)條件(光照強度S=1000W/m2，電池溫度T=25℃)，電池板的四個測試參數(shù)Isc,、Uoc、Im、Um，建立工程用數(shù)學(xué)模型時，在式(1)的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化得到

(2)

(3)

(4)

當(dāng)日照強度和電池溫度均有變化時，與實際環(huán)境存在偏差，修正參數(shù)如下：

(5)

ΔT=T-Tb

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，a取值0.00025，b取值0.00288，C值為0.5

T=Tair+KS

(11)

Tair為任意的外界溫度，K的取值為0.04。

4 光伏電池Matlab/Simulink建模仿真[5-7]

通過上面的公式，我們在MTALAB/SIMULINK里面搭建模型[4]，只需要T、S、U、I這幾個參數(shù)就能模擬電池的U-I、U-P曲線。我們搭建好模型后進(jìn)行封裝，得到封裝模塊，如圖2所示。其輸入?yún)?shù)T為環(huán)境溫度，S為外界光照前度，U為輸入電壓，I為輸出電流。a、b、c、K為內(nèi)部封裝參數(shù)。其內(nèi)部數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 模型封裝圖

圖3 內(nèi)部模型結(jié)構(gòu)圖

5 光伏電池輸出特性

本文選擇典型的Solarex MSx60 60W光伏陣列，標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，光強Sref=1000W/m2，溫度Tref=25℃。最大功率Pm=270W，峰值電流Im=7.5A，峰值電壓Um=35V，短路電流Isc=8A，開路電壓Uoc=44V。仿真模型圖4所示。

圖4中，Ramp為斜坡函數(shù)，模擬光伏電池電壓輸出。

可以獲得不同條件下的U-I特性曲線跟U-P特性曲線如圖5和圖6所示[8-9]。

這里的溫度值一定維持在25℃，圖5中，我們能清楚的看到當(dāng)S=1000W/m2,時，最大功率Pm的值在270W附近，最大功率點對應(yīng)的電壓Um大約為35V，與實際參數(shù)吻合。并且隨著光照強度的降低最大功率下降得比較厲害，開路電壓Uoc也在小范圍內(nèi)下降。圖6中我們能看到，當(dāng)光照強度S=1000W/m2時，短路電流Isc=8A,在一定電壓范圍內(nèi)保持恒定值，在電壓增加帶一定值陡然下降至零。同時短路電壓的值隨著光照強度的下降而下降。光照強度的對最大功率、短路電流的影響很大。 這里的光照一定時光照強讀值維持在1000W/m2,圖7中我們能清楚看到，光照一定，光伏電池的最大功率值隨著溫度的升高而降低，但最大功率降低的比重遠(yuǎn)沒有在溫度一定，光強降低時那么大。開路電壓隨著溫度的升高而減小。同時在圖8中，我們也能發(fā)現(xiàn)，在光強一定，短路電流在電壓增加到一定值下降時，是隨著溫度的升高而下降速率增加的[10]。當(dāng)然，開路電壓也是隨著溫度的升高而減小。

圖4 系統(tǒng)模型圖

圖5 溫度一定不同光照U-P曲線

圖6 溫度一定不同光照U-I曲線

6 結(jié)論

光伏電池作為一個非線性電源，其輸出量受到外界環(huán)境、光照強度等諸多因素的影響。本文在光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上，運用MATALB軟件進(jìn)行模型搭建，仿真結(jié)果跟實際參數(shù)吻合，其輸出U-I、U-P曲線很接近實際的輸出特性曲線，實用性較強。并且該模型搭建簡單、參數(shù)調(diào)整容易、通用性強、可靠度跟精度比較高，具有較好的理論分析以及工程設(shè)計使用價值。

[1] 許洪華.中國光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(20)：77-81.

[2] 趙爭鳴，劉建政.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2005：237-243.

[3] 蘇建徽,余世杰,趙為,等.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽能學(xué)報,2001,22(4):409- 412.

[4] 吳忠軍,劉國海,廖志凌.硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計 [J].電源技術(shù),2007,31(11):897- 901.

[5] 王長江.基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型[J].電力科學(xué)與工程，2009,25(4):11-14.

[6] 韋昊冰.基于MATLAB的獨立光伏系統(tǒng)的研究[J].通信電源技術(shù),2010,27(6):23-24.

[7] 王正林,王勝開,陳國順,等.MATLAB/SIMULINK與控制系仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[8] OMANH.Space solar power development [J].IEEE AES Systems Magazine,2000,15(2):3-8.

[9] VIOREL B.Dynamic model of a complex system includingPV cells,electric battery,electrical motor and water pump[J].Energy,2003,28(12):1165-1181.

[10] RAUSCHENBACHHS.Solar Cell Array Design Handbook[M].New York:Litton Educational Publishing Inc,1980.

Practical Model of Photovoltaic Cells

HEWen-tao，XIELi-hui

(College of Electrical Engineering &Renewable Energy，Three Gorges University,Yichang 443002,China)

This paper describes a simplified model of photovoltaic cell engineering,photovoltaic array U-I analog simulation based on this model any outside temperature,light intensity,photovoltaic module parameters,battery of series and parallel combinations,U-P curve.Effective internal model parameters were optimized,better reflect the actual characteristics of the battery.MATALB software simulation model,the simulation results were compared with the actual parameters,the better.

photovoltaic cells;U-I curve;U-P curve; MATLAB simulation

1004-289X(2016)05-0037-03

TM91

B

2016-06-20

何文濤，男，湖北黃岡人，碩士研究生，從事新能源微電網(wǎng)、光伏發(fā)電方向研究； 解立輝，男，河北邢臺人，講師、工程師，從事電力電子變換、交流斬波器方向研究。