基于Simulink的光伏電池建模仿真及輸出特性分析

安徽理工大學電氣與信息工程學院 李孟帥 唐 磊 杜 康

為了實現(xiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)在最大功率點處工作，必須研究光伏電池的輸出特性。文中根據(jù)光伏電池的等效電路建立其數(shù)學模型，并基于simulink仿真模塊，搭建了光伏電池的仿真模型。該模型能模擬在不同的光照強度和環(huán)境溫度下光伏電池的P-U以及I-U輸出特性曲線，仿真結果驗證了光伏電池模型的準確性。

引言：隨著社會的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，常規(guī)能源如：煤、石油等作為世界各國主要的能源必將導致能源的日益枯竭，而且這些能源燃燒后的物質還會污染周圍環(huán)境以及空氣。因此，尋找新的可再生的清潔能源成為世界各國首要的目標。太陽能由于遍布廣泛，而且取之不盡用之不竭等優(yōu)點成為最理想的新型能源。目前利用和發(fā)展太陽能光伏發(fā)電是各國研究的首要任務。本文基于simulink仿真模塊，建立了光伏電池的仿真模型，并對其進行仿真，得到光伏電池在不同的外界環(huán)境條件下的輸出特性曲線，并對仿真結果進行了簡單分析。

1 光伏電池的數(shù)學模型

光伏電池的功能為能量轉換，將太陽能轉換為電能。其基本構造為半導體的P-N結。因此，在光照強度不變的情況下，可以認為光生電流Iph也不變，即光生電流Iph只與光照強度有關，由此可將其看成一個電流源。光生電流Iph有一部分流過P-N結二極管，這一部分電流稱之為暗電流，即Id。根據(jù)實際情況，電池本身也會具有電阻，由于電阻一般有串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，因此，在光伏電池內部，串聯(lián)電阻為Rs，并聯(lián)電阻為Rsh。圖1所示為光伏電池等效電路圖。

圖1 光伏電池的等效電路

圖1中，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得光伏電池的輸出電流為：

式(1)中：Iph為光生電流；Id為流過二極管的電流；Iph為并聯(lián)支路電流。其中，暗電流與電壓的關系為：

式(2)中：I0為二極管反向飽和電流；為電荷電量；K為玻爾茲曼常數(shù)，其值為為二極管曲線因子，一般取1；T為太陽能表面絕對溫度；Rs為串聯(lián)電阻；U為光伏電池輸出電壓。根據(jù)KVL可得：

式(3)中Rsh為并聯(lián)電阻。將(2)式和(3)式代入(1)式，可得：

式(4)為光伏電池的輸出電流的數(shù)學模型，在simulink中基于式(4)來建立數(shù)學模型比較復雜，一般先進行簡化，使用簡化后的數(shù)學模型來搭建模塊。

（1）光伏電池等效電路中，其串聯(lián)電阻Rs遠遠小于并聯(lián)電阻Rsh，因此流過并聯(lián)電阻Rsh的電流遠遠小于流過串聯(lián)電阻Rs的電流，因此，可以將并聯(lián)支路的電流Rsh的電流忽略不計。

（2）光伏電池等效電路中，其串聯(lián)電阻Rs遠遠小于P-N結導通電阻，當發(fā)生短路時，可以認為短路電流Isc就等于光生電流Iph。

（3）在搭建模型的過程中，在標準外界條件下，光伏電池的開路電壓U等于標準外界條件下開路電壓Uoc。最大功率點處的電壓U等于標準外界條件下的電壓Um。

由上述簡化分析，式(4)可以化為式(5)：

將最大功率點處的電壓和電流代入式(5)整理可得：

將A的值代入式(5)，并根據(jù)開路條件，整理可得：

上述模型與實際的環(huán)境有一定偏差，因此需要對其進行修正。修正系數(shù)公式如下：

2 光伏電池建模及仿真

根據(jù)光伏電池的輸出電流表達式以及修正系數(shù)公式，可以建立光伏電池的模型，為了研究光伏電池的輸出特性曲線，按圖2所示搭建光伏電池的仿真模型。

圖2 光伏電池的仿真模型

3 輸出特性分析

在simulink中創(chuàng)建了模型后，輸入設定的參數(shù)值，就可以進行仿真了。在保持外界環(huán)境溫度為不變時，不斷調整光照強度，得到光伏電池的P-U，I-U曲線如圖3所示，光照強度分別取

圖3 特性曲線

圖4 特性曲線

通過上述的仿真結果可以看出，光照強度和外界環(huán)境溫度都會影響光伏電池的輸出特性。在保持溫度不變時，光伏電池的最大輸出功率隨光照強度的增大而增大，由圖3可以看出光照強度對光伏電池的電流影響比較大，對電壓的影響較小；在保持光照強度不變，當外界環(huán)境溫度增大時，光伏電池的開路電壓減小，短路電流增大，最大輸出功率減小。

4 結束語

根光伏電池的等效電路建立其數(shù)學模型，分析了光伏電池的工程應用模型，在Simulink中搭建了其仿真模型并進行了仿真，驗證了所搭建光伏電池模型的正確性以及得到了不同外界環(huán)境條件下輸出特性曲線，并根據(jù)曲線分析出影響光伏電池輸出特性的因素，為后面實現(xiàn)MPPT提供理論依據(jù)。