光伏電池輸出特性仿真分析

核廢物與環境安全國防重點學科實驗室 西南科技大學 李懷良 石繁榮

光伏電池輸出特性仿真分析

核廢物與環境安全國防重點學科實驗室 西南科技大學 李懷良 石繁榮

太陽能作為最清潔的能源之一受到人們的青睞。本文主要開展光伏電池建模及其輸出特性研究，首先分析光伏電池的等效電路模型及數學模型，基于MATLAB/Simulink上建立仿真模型。基于該模型完成光伏電池的輸出特性分析，進一步分析光照強度變化下的輸出特性以分析最大功率點。結果表明光伏電池的最大功率輸出點大致在最大功率電壓的平均值處，本文可為光伏電池最大功率跟隨算法設計和研究提供借鑒。

光伏電池；MPPT；MATLAB/Simulink；擾動觀察法

0 引言

太陽能是最豐富的清潔能源，且太陽能的利用不受地域限制，而光伏發電是目前利用太陽能最有效的途徑[1-3]。本文分析光伏電池的發電原理和等效模型，基于MATLAB構建Simulink仿真模型，開展光伏電池的輸出特性研究。首先給出光伏電池的發電原理，基于二極管模型給出光伏電池等效電路，并推導出相關數學模型。基于MATLAB/Simulink仿真建立光伏電池的仿真模型，完成其電流-電壓、功率-電壓特性分析，并完成光照強度變化下的輸出特性分析。

1 光伏電池模型分析

在實際應用中光伏電池有四種不同的狀態：1)無光照、無電壓、無電流；2)有光照但短路 有短路電流；3)有光照但開路有開路電壓；3)有光照有負載 有電壓 有電流。本文使用理想化等效電路模型來說明，光伏電池的單二極管等效電路模型[1]如圖1所示。

圖1 光伏電池的單二極管等效電路模型

對于實際的光伏電池，影響轉換效率的主要因素是：1）串聯電阻RS，由正面金屬電極與半導體材料的接觸電阻、半導體材料的體電阻和電極電阻三個部分構成；2）并聯電阻RP，主要由電池邊緣漏電或耗盡區內的復合電流導致[4]。由于光生電動勢使P-N結正向偏置，因此存在一個流經二極管的漏電流，該電流與光生電流的方向相反，會抵消部分光生電流，被稱為暗電流ID。光伏電池的數學模型由下列方程給出。

式(1)是光伏電池在工程上的I-U表達式，由式(2)和(3)可以知道在當參數ICS、UOC、Um、Im確定時C1、C2是確定的值[5]，通常情況下標準環境下的ICS、UOC、Um和Im是已知值，當環境溫度和光照強度發生變化時以上數據需要重新進行計算，計算得到的數據記為：ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe。在新的狀態下光伏電池的數據由以下方程得到。

方程中Tb和Sb分別為標準狀態下的光伏電池的溫度和光照強度，其關鍵是輸入此刻的溫度和光照強度完成上述運算，將當前溫度下的C1和C2帶入式(1)即可得到光伏電池的U-I特性曲線[6][7]。本文選擇多晶硅電池STP260進行仿真建模，其標準環境參數如表1所示。

表1 多晶硅STP260參

2 基于Matlab 的電流-電壓和功率特性仿真

ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe變量建模采用Simulink庫中的常數模塊（Constant）、乘法模塊（Product）、增益模塊(Gain)按照方程中的算法建立了該模型。將已經建立好的模型代入式(1)，得到光伏電池的U-I模型如圖2所示。利用Matlab的Fcn模塊實現式（1）計算和數據關聯。Fcn模塊中的表達式為u(1)*(1-u(2)*(exp(u(5)/(u(3)*u(4)))-1))，u(1)、u(2)、u(3)、u(4)和u(5)分別為輸入量的Isc、C1、C2、Uoc和U。

圖2 光伏電池內部仿真圖

當溫度為30℃和光照強度為800W/m2時，光伏電池的U-I特性如圖3所示。可知當電壓在25V以內時電流并不隨著電壓的變化而變化，光伏電池可以近似的看做一個恒流源，但是隨著電壓的進一步增加，電流開始有了急劇的變化，即隨著電壓的增長電流急劇下降，這同時又說明在光伏電池的后半段并不是一個穩定的恒流源。

圖3 光伏電池U-I特性圖

圖4 光伏電池P-U特性圖

當溫度為30℃和光照強度為800W/m2時，光伏電池的P-U特性如圖4所示。可知隨著電壓的增加光伏電池的功率在不斷地增加，約在33V左右達到峰值，隨后功率急劇下降，而且功率下降的趨勢要大于電流下降的趨勢，在42V左右的電壓下二者同時降到零。

3 光強對電流-電壓和功率的特性影響

在一定的溫度下改變光照強度分析光伏電池的U-I特性和P-U特性。設溫度為25℃恒定不變，而光照強度分別為600W/m2、800W/m2、1000W/m2和1200W/m2。圖5所示為溫度恒定光照強度等差增加的U-I特性曲線。圖6所示為溫度恒定光照強度等差增加的P-U特性曲線。

可知隨著光照強度的增加光伏電池的初始電流也線性的增加，而電流最后降到零的點也有一定的后移，對于P-U曲線來說，很明顯隨著光照強度的增加最大功率也隨之增加。日照強度較高時，各曲線的最大功率點幾乎分布于一條垂直線的兩側，這說明最大功率輸出點大致對應于某個恒定電壓，這特性即是MPPT中定電壓跟蹤法的核心。即只需要將電壓的值恒定在最大功率電壓的平均值，就可以使光伏電池基本上工作在最大功率點。

圖5 不同光強下的U-I曲線

圖6 不同光強下的P-U曲線

4 結論

本文主要針對光伏電池的工作原理建立了其相關的數學模型，基于Matlab/Simulink建立了光伏電池的仿真模型，以此仿真分析其輸出特性。仿真結果分析了光伏電池的U-I和P-U特性曲線，通過改變光照強度參數得到相應的輸出特性特性，結果表明光伏電池的最大功率輸出點大致在最大功率電壓的平均值處，本文可為光伏電池最大功率跟隨算法設計和研究提供借鑒。

[1]沈輝,曾祖勤編著．太陽能光伏發電技術[M]．北京:化學工業出版社,2005,8:32-37．

[2]萬兆安,劉進軍編著．電力電子技術[M]．北京:機械工業出版社,2009,5:127-133．

[3]冒波波．微電網運行與控制的建模與仿真[D]．西南交通大學,2009．

[4]錢念書,劉闊．光伏電池建模及其輸出特性研究[J]．電源學報,2012(5):79-83．

[5]蘇建徽,余世杰,趙為等．硅太陽能電池工程用數學模型[J]．太陽能學報,2001(22):409-412．

[6]楊金孝,朱琳．基于Matlab/Simulink光伏電池模型的研究[J]．現代電子技術,2011,34(24):192-198

[7]Singer S,Bozenshtein B,Surazi S．Characterization of PV array output using a small number of measured parameters[J]．Solar Energy,1984,32(5):603-607．

[8]吳忠軍,劉國海,廖志凌等．硅太陽電池工程用數學模型參數的優化設計[J]．電源技術,2007,11(6):897-900．