光伏電池建模以及MPPT仿真分析

刁明君

（青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島266071）

0 引 言

一次能源的使用越來越多，但是總量卻是有限的，與此同時造成的環境污染問題也很嚴重，所以二次能源的開發與利用亟待快速發展。光伏發電是一種清潔、安全、可靠的發電模式，是一個熱門研究方向。光伏發電的最大功率點跟蹤是必須解決的問題，其中擾動觀察法是實現MPPT的重要方法之一。

1 光伏電池的數學模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數學模型

太陽能電池表面由兩種不同的材料組成，一種是P型區，空穴多，另一種是N型區，自由電子多。當陽光照到電池板時，在兩者的接觸面就會形成一種特殊的薄膜，在太陽能提供能量下，會導致各個區域多子的漂移，來減少兩個區域少子的濃度差。這個過程持續下去，就能在兩個區域之間產生一定的電動勢，此時將兩個區域如果短接的話，就能形成電流。

如圖1所示，由基爾霍夫定律KCL、KVL可以得到光伏電池的輸出電流I：

圖1 光伏電池等效電路模型

設光伏電池在標準測試條件下（S＝1 000 W／m2，T＝25℃）的開路電壓為Uoc，短路電流為Isc，最大功率點電壓為Um，最大功率點電流為Im，結合工程實際，光伏電池的輸出特性方程可表示為［1］：

其中：

采用的光伏電池是單晶硅類型時，工程上a、b、c的 典 型 取 值 分 別 為 0.0025℃－1、0.5 m2／W、0.00288℃－1。

1.2 光伏電池的輸出特性

如圖2所示，影響光伏板輸出電流大小的因素從公式（3）可以看出，光照強度、溫度以及光伏板電壓給定的參考值可以根據實際情況進行校驗以貼合實際。

圖2 光伏電池的模型

1.3 仿真結果分析

將上述子系統進行模型封裝后，模塊參數采用實驗室光伏板的實際參數，設置參數如表1，實驗模擬外界出現不同環境情況時，光伏電池的輸出特性，仿真如圖3所示。

表1 光伏板參數

圖3 光伏電池的輸出特性

2 驗證改進的擾動觀察法

為了驗證方法的可行性，本文以Boost變換器作為DC／DC變換電路，建立了仿真模型如圖4所示。

改變光照和溫度，驗證MPPT的可行性，仿真結果如圖5～6所示。

首先驗證MPPT的瞬時特性，系統光照強度保持不變（S＝1 000 W／m2），溫度在時間t＝0.5、1、1.5 s時突變，溫度由35℃→25℃→15℃→5℃，與圖3（c）對照可見，系統在溫度突變后可以很快地實現最大功率點跟蹤，如圖5所示。

系統溫度保持不變（T＝25℃），光照強度在時間t＝0.5、1、1.5、2、2.5 s時 突 變，光 照 強 度 由1 000 W／m2→800 W／m2→600 W／m2→400 W／m2→200 W／m2，與圖3（a）對照可見，系統在光照強度突變后可以很快地實現最大功率點跟蹤，如圖6所示。

隨后驗證了最大功率點跟蹤在溫度或光照強度緩慢變化時的特性，仿真圖7。首先讓光伏板正常工作在穩定狀態（S＝1 000 W／m2，T＝35℃），從t＝0.5 s開始，假設光照強度恒定，溫度T開始緩慢遞減，每秒遞減10℃，比較圖7與圖5，特定溫度下的功率基本相同，所以，該系統在溫度變化不明顯或者比較慢的情況下，也能夠跟蹤最大功率點。

圖4 仿真電路模型

圖5 S＝1 000 W／m2時溫度變化的 MPP跟隨圖

圖6 溫度25℃光照強度變化的最大功率點跟隨圖

圖7 溫度緩慢變化時的MPP跟隨圖

3 結 論

本文對光伏電池的數學模型進行了仿真分析，用實際型號的光伏板進行了實驗比對校正，通過仿真結果分析出模型的合理性。采用改進的擾動觀察法，基于Boost升壓電路可以實現最大功率點的跟蹤，利用Matlab／Simulink搭建了仿真模型，進行了仿真分析，驗證了方法的可行性。

改進的擾動觀察法仍有改善的余地，使其速度和精度更高，還需進一步研究。