光伏電池建模分析及關鍵因素研究

趙慶龍，曾明華，王元良

(西南交通大學機械工程學院,四川成都610036)

光伏電池建模分析及關鍵因素研究

趙慶龍，曾明華，王元良

(西南交通大學機械工程學院,四川成都610036)

在傳統光伏電池數學模型的基礎上，通過合理簡化模型，建立了一個結構簡單、準確度高的光伏電池模型。借助MATLAB/SIMULINK仿真平臺進行建模仿真，模擬不同狀態下光伏電池輸出特性，通過仿真結果對比分析，驗證了模型的工程實用性。對影響光伏電池模型特性的串并聯電阻及二極管理想因子等關鍵因素進行詳細對比分析，對光伏電池工程建模仿真有一定的指導意義。

光伏電池；模型簡化；仿真分析；影響因素

當今世界節能減排是發展的一個重要目標，光伏產業隨之興起。在光伏電池的實際使用中，由于不同地區間環境的差異性，光伏電池轉化效率也不盡相同，因此快速評估一個地區光伏電池的發電效率至關重要。由于一天中光照強度及溫度多變，使得光伏電池的出廠參數不能準確反應光伏電池實際效率，所以通過建立一個光伏電池的仿真模型，實時模擬溫度及光照強度的變化，能夠較好地反應光伏電池的實際輸出狀態。光伏電池仿真模型的建立通常都是在光伏電池的數學模型下，通過一定的模型簡化來實現。不同的簡化方式影響著光伏電池仿真的準確性。

本文通過反復實驗測試，簡化模型中不必要參數，加強對關鍵參數的細化建模，與標準數據對比后再校正相關參數，得到了一個結構簡單、仿真結果準確的仿真模型。同時本文也對影響光伏電池模型關鍵因素進行了對比建模，通過對仿真結果分析，定量反映出關鍵因素不可忽略的影響，從而在實際應用中能夠快速準確地對光伏組件進行仿真評估。

1　光伏電池等效電路

光伏電池的等效電路[1-9]如圖1所示，圖中PN結由PN結合部和串聯電阻RS組成，RS為考慮橫向電流的等效電阻；Iph為光電流，由光伏電勢產生；Rsh為分路電阻，來補償由于PN結缺陷造成的漏電流Ish；ID為PN結的正向電流，I為負載電流。

圖1　光伏電池等效電路

光伏電池輸出電流等效電路方程式為：

光伏電池電壓等效電路方程式為：

式中：UJ為PN結合部端電壓；U為負載電壓；I為負載電流；RS為負載電阻。

由以上[2]可得光伏電池輸出電流方程式：

式中：A為PN結材料特性系數；k是波茲曼常數為1.381× 10－23J/K；T為絕對溫度；q是電子電量為1.602×10－19C。

2　光伏電池模型簡化

由于Rsh較大，通常為千歐級，Ish可以等效為零[3]，方程式(3)中的光伏電池輸出電流可簡化為:

在實際應用中，單個光伏電池很難滿足需要，通常按要求將若干個光伏電池串并聯，得到所需要的光伏陣列[3]，此時輸出電流為：

式中：m、n分別為電池并聯、串聯數。

光生電流Iph與標準狀況下的參考短路電流ISCref、溫度及光照強度的關系為：

對于光伏電池反向飽和電流，負載開路時I=0，U=UOC,帶入上述公式(5)得:

開路電壓受光照強度的影響不大，簡化只考慮溫度的影響[4]，其中UOCref為標準狀況下的開路電壓，為：

本文中忽略串聯等效電阻受溫度及外界接線等的影響[3]，將其簡化為一個定值，通過在最大功率點處的電流Impp與電壓Umpp的值來計算，見(9)和(10)。在對大型的工程類光伏系統仿真時，需要對串聯等效電阻進行一定的修正，使得仿真模型接近于實際。

3　光伏電池的建模分析

3.1光伏電池SIMULINK建模

利用簡化的光伏電池數學模型，在SIMULINK中進行建模。本文中選用某光伏公司所產235 W光伏板進行建模仿真，根據出廠參數可知，該電池由6×10串聯電池片組成，在標準狀況下 (AM=1.5，T=25℃，G=1 000 W/㎡),最大工作電流Impp=7.89 A，最大工作電壓Umpp=29.8 V，開路電壓USCref=37.6 V，短路電流ISCref=8.29 A，開路電壓溫度系數K1=－0.127 84 V/℃，短路電流溫度系數K2=0.004 974 A/℃，經測算后取A=1。

將上述數據帶入簡化后的數學模型(10)中可得RS= 0.405 6 Ω，將公式(9)在SIMULINK中進行建模仿真，并將公式中的各組成參數分別建模封裝，可得到如圖2所示仿真模型。將光伏電池的各部分進行進一步封裝，得到如圖3所示模型。

圖2　光伏電池仿真模型

圖3　光伏電池封裝模型

圖4　不同溫度下P-U與I-U曲線

3.2光伏電池仿真結果分析與驗證

利用SIMULINK中建立的光伏電池模型，通過分別模擬在不同溫度及光照強度下進行仿真，可以得到如圖4所示的仿真曲線。

圖4中，在G=1 000 W/㎡的標準光照強度下，改變溫度，得到溫度對光伏電池輸出功率及輸出電流的影響。可以看出溫度越高，光伏電池的最大功率點越低，光伏電池的整體輸出功率下降，開路電壓也越小，短路電流越小。不同溫度下輸出電流在負載電壓較小時變化不大，在負載電壓接近開路電壓時，輸出電流開始不同程度的下降。

圖5　不同光照強度下P-U與I-U曲線

圖5中，在T=25℃的標準溫度下，改變光照強度，得到光照強度對光伏電池輸出電流及輸出功率的影響，可以看出光照強度越強，光伏電池的最大功率點越高，光伏電池的整體輸出功率也越大，短路電流和輸出電流也越大。

由圖4和圖5可以看出光伏電池在一定溫度和日照強度下具有唯一的最大功率點，但光伏電池是一個非線性電源[2]，輸出特性受溫度和日照強度影響較大，使得輸出電流和電壓變化較大，輸出功率不穩定，這也使得最大功率點發生變化，導致太陽電池效率降低。

為了驗證所建光伏電池模型的實用性，將光伏電池廠商數據與仿真數據進行P-U特性曲線對比[5,8]。由圖6和圖7可以看出本文所建光伏電池模型的輸出功率與廠商提供的輸出功率偏差較小，在合理的誤差范圍內，具有較強的工程實用性。

圖6　不同溫度下P-U對比曲線

圖7　不同光照強度下P-U對比曲線

4　影響光伏電池模型的關鍵因素

4.1串聯等效電阻的影響

通常情況下，串聯等效電阻RS被認為是光伏電池板電極及材料本身的電阻。而在光伏電池組建的實際使用中，組件間的接線或組件與電纜連接件的電阻，也應認為是等效電阻的一部分[1]，同時也應該考慮串聯等效電阻在不同的溫度下，以及不同的連接件下電阻值的變化。

在標準狀況下(AM=1.5，T=25℃，G=1 000 W/㎡),不計外加電阻及溫度變化影響時，等效電阻RS為0.405 6 Ω。當改變等效電阻值時，光伏電池輸出特性曲線如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，在當負載電壓較小時，輸出電流可認為近似不變，而串聯等效電阻越大，對光伏電池的輸出電流影響越大，對開路電壓幾乎沒有影響，串聯等效電阻達到一定的限制值后，光伏電池輸出電流隨著負載電壓呈近似線性變化，與標準光伏電池I-U曲線不符，由此可見等效串聯電阻的值對輸出電流有著較大影響。

由圖9可以看出串聯等效電阻對光伏電池的輸出功率影響較大，串聯等效電阻越小，光伏電池的功率越大，最大功率點越高，當串聯等效電阻變大時，光伏電池輸出功率下降，最大功率點也發生了偏移。

由以上仿真結果可以看出等效電阻對光伏電池的輸出功率影響較大，不可忽略。這也提醒我們在大型工程建模仿真時，要考慮到實際應用中的附加等效電阻，從而使得模型更加接近實際，仿真的精確度更高，誤差更小，實用性更強。

圖8　不同串聯電阻下I-U曲線

圖9　不同串聯電阻下P-U曲線

4.2并聯分路電阻Rsh的影響

Rsh是PN結生產制造過程中產生的，由相關文獻可知Rsh增大會導致開路電壓減小，短路電流基本不變[5]，對電池的影響不大。又由于Rsh值為千歐級，流過其上電流近似為零，因此在簡化的建模中可以不予考慮。

4.3光伏電池等效因子的影響

光伏電池等效因子A是與光伏電池PN結材料特性有關的系數，它的值通常在1～2之間，本文通過參考文獻[7]的算法和文獻[10]中的估算方法，經測算修正后等效因子A的值取為1。由于不同廠家材料差異性，A的最適匹配值也不同。由圖10仿真結果可知，隨著A的值增加，一定程度上會引起輸出電流的降低，從圖11仿真結果可以看到，A的值增加使得光伏電池的輸出功率整體下降。因而，需要進行反復測算確定A的值。

圖10　不同等效因子下P-U曲線

5　結論

本文通過對光伏電池模型的合理簡化，建立了一個結構簡單、仿真精度高的模型。通過改變溫度及光照強度等參數對光伏電池在不同狀態下的輸出特性進行了全面的模擬與研究分析。本文還對影響光伏電池模型的關鍵因素進行了詳細分析，通過仿真結果的對比，定量反映出不同因素的影響程度。綜合本文的簡化模型和影響光伏電池的關鍵因素，在實際工程建模仿真的應用中，可以快速、準確地建模和評估光伏發電系統的輸出功率及效率。

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Analysis of photovoltaic cells model and key factors research

ZHAO Qing-long，ZENG Ming-hua，WANG Yuan-liang
(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610036,China)

Based on the traditional mathematical model of photovoltaic cells,a simple structure and high accuracy photovoltaic cell model was built by simplifying the model reasonably.The output characteristics of photovoltaic cells under different conditions were simulated by using MATLAB/SIMULINK simulation platform,the practicability of model was verified comparing the results of simulation analysis.The key influencing factors of photovoltaic cells model like series and shunt resistance and diode ideality factor were compared and analyzed in detail,which has certain directive significance to the engineering modeling and simulation of photovoltaic cells.

photovoltaic cells;model simplification;simulation;influencing factors

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-1969-04

2016-03-24

西南交通大學研究生創新項目

趙慶龍(1989—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為光伏發電及新能源汽車。