任意輻照與溫度條件下光伏電池輸出特性的建模與分析

徐劍峰

摘 要：根據光伏電池輸出特性關系式，以MATLAB/Simulink軟件為電池模型仿真平臺，建立輻照與溫度可變的光伏電池仿真模型。模擬光伏電池在任意輻照度、環境溫度下的輸出特性，用于光伏陣列局部陰影時的仿真研究。

關鍵詞：光伏電池；輸出特性；仿真模型

1 概述

太陽能作為清潔可再生能源已成為各國研究的熱點，光伏電池通過光伏打效應將太陽能轉換為電能，其在光伏發電系統中占有主要作用。因此熟悉光伏電池在各種工況下的輸出特性，對太陽能的發電系統的應用與設計非常重要。

本文通過對光伏電池輸出特性進行建模，通過仿真得到光伏電池的各種特性曲線。仿真結果說明，仿真模型在不同工況下的輸出特性與實際太陽能電池板輸出特性非常接近，驗證設計的準確性。

2 光伏電池數學模型

光伏電池發電原理是基于半導體PN結的光伏打效應，當物體接受光照時內部的電荷分布發生改變，從而產生電勢。當與電池正負級連接的電路形成閉合回路時便會有功率輸出。實際應用中通常把標準數量的光伏電池單體串并聯起來獲得一定的能量輸出。

光伏電池的輸出特性輻照度與溫度影響較大，需要結合一定的環境修正參數才能更加準確描述光伏電池的輸出特性。本文使用MATLAB建模的簡化光伏電池數學模型[1-2]如下：

式中，C1、C2為修正系數，Iph為光伏電池短路電流，VOC為開路電壓，Vm、Im為最大功率點電壓、電流。

3 任意輻照度和溫度下的光伏電池仿真結果

基于以上數學模型，在MATLAB/simulink工具下建立仿真模型。光伏電池組件廠商會提供標準工況下參數，最大功率點電壓Vm=17.0V，最大功率點電流Im=4.4A，開路電壓VOC=21.8V，短路電流Iph=4.80A。模型可以根據以上標準參數（環溫25℃，光照為1000W/m2）得到標準情況下的輸出特性曲線。當輻照度與溫度發生變化時模型就不適用了。需要重新來描述新的輸出特性曲線，一般可采用方法如下：

（1）計算出一般工況與標準工況的溫度差△T和限度輻照差△S：△T=T-Tref，△S=S/Sref-1。

（2）根據標準溫度Tref和f標準日照強度Sre下的Iph、VOC、Im、Vm推算出一般工況（輻照度S和溫度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。首先，按照下列公式[3]分別計算一般工況（輻照度S和溫度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。

式中系數α，β，γ的典型值為α=0.0025/℃，β=0.5，γ=0.00288/℃。將所求新工況下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`取代標準工況下的Iph、VOC、Im、Vm，求得新工況下的C1`，C2`，可進一步利用式（1）求出新工況下的輸出特性，解決任意輻照度和溫度下的輸出特性計算。

采用MATLAB/Simulink軟件搭建光伏電池的仿真模型如圖1所示。

圖2為溫度T=25℃，光照強度S分別為1000W/m2、800W/m2、600W/m2時，光伏電池的V-I、P-V特性曲線族。由該曲線可以判斷出光伏電池的輸出特性呈規則非線性，并且每一種工況下曲線都各有最大功率點。隨著輻照強度的變化，開路電壓VOC變化并不明顯，而短路電流Isc則有較明顯變化。最大功率點功率Pm隨輻照度的變化也有明顯變化。

圖3為輻照度S=1000W/m2時，溫度分別為0℃、25℃、50℃，光伏電池的V-I、P-V特性曲線族。由該曲線可以判斷，當隨溫度變化時開路電壓VOC線性變化，短路電流Iph的變化較微弱，最大功率點Pm也有很大的變化。

從仿真分析可知，隨著光強和溫度的變化，對光伏電池的輸出特性影響較大，輸出特性體現出嚴重的非線性，在工作環境（光強和溫度）確定時P-V曲線上都會有一個最大功率點，仿真結果符合實際的光伏電池輸出特性。

4 結束語

根據光伏電池等效電路模型，通過計算公式推導得到在光照和溫度影響下準確描述光伏電池輸出電壓和電流關系的方程組，并利用MATLAB/simulink平臺搭建仿真模型。仿真結果說明，只需要光伏模組廠家提供的通用基本參數就可以得到非常接近于實際環境下的光伏電池輸出特性曲線，與光伏電池理想等效模型相比，該模型并不需要復雜的參數。當光伏陣列中的某幾個光伏組件的光照強度不一致時，只需要將該模型參數稍加修改，就可以用于光伏陣列在局部陰影下的仿真研究。

參考文獻

[1]王長江，基于MATLAB的光伏電池通用數學模型[J].電力科學與工程，2009，25（4）：11-14.

[2]周德佳，趙爭鳴.基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析[J].清華大學學報，2007，47（7）：1109-1102.

[3]張興，曹仁賢，等.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M].北京：機械工業出版社，2010：41-46.