基于MATLAB/GUI的光伏電池工程用數學模型仿真系統的設計與實現

吳春芳

（廣東電網有限責任公司江門開平供電局，廣東 開平 529300）

隨著化石能源的不斷消耗，全球都正面臨著能源的危機，而太陽能有著清潔、分布廣泛等特點，很快地成為當今發展速度居第二的清潔能源[1-2]，太陽能與其他新能源相比較，利用率大，是目前理想的可再生能源。太陽能光伏電池的輸出特性不僅與其模塊的內部各種參數有關系，而且還與外界的溫度和光照有著密切的關聯[3]。因此，建立通用的工程用光伏電池模型，研究環境溫度和光照強度等外部條件對太陽能電池輸出特性的影響，是十分有必要的。

目前，已有大量的學者對其進行了一定的研究，文獻[4-5]給出了一些光伏發電相關的仿真模型，但這些模型一般都需要已知一些特定的參數，所以分析研究起來便存在一定的困難。文獻[6-7]給出了經過優化后的光伏電池模型，但是卻不能任意改變原始參數而使得研究起來有些困難。文獻[8]給出了光伏電池的原理模型，但參數選用過于趨于典型值，這樣便會造成較大的誤差。

根據光伏電池的基本理論，其等效模型如圖1所示[9-12]。

圖1 光伏電池的等效電路

由電子電路基本原理得到如式(1)的基于光伏電池物理原理的最基本解析式，已經被廣泛運用在光伏電池的理論分析中，但由于IL、I0、Rsh、Rs和A均與日照強度和電池溫度有關，且難于確定，也不是供應商向用戶提供的技術參數，故而運用起來有一些困難。

式中：IL為光電流，A；Rsh為并聯電阻，Ω；T為絕對溫度，K；I0為反向飽和電流，A；A為二極管因子；q為電子電荷，1.6×10-19C；K為波耳茲曼常數，1.38×10-23C；Rs為串聯電阻，Ω。

鑒于此，本文采用光伏電池的工程用數學模型，模型強調的是實用性和準確性的結合，只需要廠商提供參數，就可以擬合出高準確性的模型，且具有較好的移植性，此外，主要利用MATLAB/GUI編寫了一款適用于光伏電池工程用數學模型的仿真計算軟件，通過在仿真平臺上設置輸入參數便可以簡潔而形象地分析電池的輸出特性，提供了良好的交互性，這為微電網的進一步研究提供一定的參考。

1 光伏電池工程實用數學模型

本文根據光伏電池物理模型的外部輸出特性，建立了適用于工程計算的數學模型，實際中廠商一般會提供給用戶4個基本參數，即最大功率點電壓Um、最大功率點電流Im、開路電壓Uoc、短路電流Ise，利用這些參數經過大量的數據擬合出與實際輸出特性類似的U-I特性曲線。根據光伏電池U-I關系曲線可以得到如下基本輸出特性公式。

式中：U、I為光伏電池輸出電壓與電流，C1、C2為修正系數。

模型采用的是對不同光強和溫度條件下廠商提供的4個參數進行修正，即對C1和C2進行修正，在任意環境條件下，經過大量的數據擬合對Um、Im、Uoc、Ise進行補償修正，近似推算出如下任意光照S和電池溫度T下4個技術參數修正量。

式中：補償系數a、b、c為常數，據大量實驗數據實驗擬合，工程使用中其典型值推薦為a=0.0025℃，b=0.0005W/m2，c=0.00288℃。

使用這種環境修正法得到的過程用模型不需要物理模型中復雜的參數，只需廠商的4個基本性能參數就可以擬合出光伏電池的數學模型，且可以根據不同型號的電池來修正模型中的補償系數，增加了模型的準確性，靈活性。

下面利用此工程模型分析研究溫度和光照對光伏電池輸出特性的影響，利用MATLAB編寫了工程用模型的M文件，其中，電池基本參數為，Um=35.9V、Im=7.56A、Uoc=44V、Ise=8.29A，Rs=0.002Ω，仿真時補償系數設置為典型值。其中模塊輸入變量為溫度Tc；光照強度S；輸出模塊為光伏電池輸出電流I，通過改變光照強度和溫度參數來分析研究光伏電池的基本輸出特性。

保持溫度Tc為25℃時，使得光照強度S分別為600 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2時的光伏電池陣列U-I、U-P曲線如圖2所示。另外，為了研究溫度的影響，設置光強S為1000 W/m2不變，改變溫度T分別為25℃、28℃、31℃時，得到光伏電池輸出特性曲線如圖3所示。

圖2 光強對輸出特性的影響

由圖2(a)可知，保持溫度不變，光照強度越高，光伏電池的輸出電流就會越大，在電壓較低時電池近似為恒流源，光伏電池開路電壓變化不大，在電壓高時其性能與恒壓源類似，短路電流和日照強度近似成正比。由圖2(b)可知，保持溫度不變，光照強度越高，光伏電池的輸出功率越大，看出3條曲線的峰值幾乎在同樣大小的電壓上，即當光照強度發生變化時，最大功率點的輸出電壓基本保持恒定。

圖3 溫度對輸出特性的影響

由圖3(a)可知，當光照強度不變時，隨著溫度的增大，光伏電池陣列開路電壓減小，短路電流略有上升，但變化不大，因此最大功率點也在減小。由圖3(b)可知，電壓小于最大功率點電壓附近，功率近似呈現出線性變化，溫度越高，其最大輸出功率卻變得越小。

2 基于MATLAB/GUI光伏電池仿真平臺的實現

圖形用戶界面（GUI）是由窗口、按鍵、光標、菜單、文字說明等對象（Object）構成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法(如鼠標或鍵盤)選擇、激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，比如實現計算、繪圖等。

本文所分析的是對光伏電池輸出特性的研究，而影響其輸出特性的因素很多，其主要包括光照強度以及溫度，故而仿真平臺中要設置這些參數的輸入端口以此來提供人機交互的仿真環境，通過改變參數可以形象的在軟件界面中觀察其變化規律。

2.1 仿真系統的整體設計

光伏電池輸出特性仿真軟件的整體設計也就是需要滿足的基本功能，其所實現的主要功能模塊包括參數變量設置、補償系數、標準參數、導入數據分析模塊以及系統的性能參數。該仿真系統實現的流程如圖4所示。

圖4 仿真平臺流程圖

2.2 光伏電池仿真軟件的實現

本文所設計的光伏電池工程用仿真軟件平臺，其基本結構主要包括影響光伏電池特性的參數設置部分、圖形顯示部分、功能按鈕部分3大類。用戶可以在此平臺上設置各種相應的輸入參數來分析研究光伏電池的輸出特性，此外，還可以導入外界已知的數據進行分析。

軟件界面主要是由按鈕pushbutton、圖形窗axes、靜態text、可編輯text來組成，其中靜態text均是對參數輸入信息和軟件信息的顯示，而可編輯text均是影響光伏電池輸出特性的仿真參數的改變輸入，4個pushbutton的功能分別為開始仿真、清除波形、導入數據以及退出軟件按鈕，仿真結果分別顯示在U-I和U-P所在的圖形窗口中，改變各參數觀察仿真波形，總的來說，溫度越低，電流和功率值越大；光照強度越大，電流和功率值越大。

3 結束語

本文利用MATLAB編寫了光伏電池工程用模型的仿真程序，此數學模型有效地解決了一般模型中參數難于確定、不易建模、不靈活等劣勢，分析得出光伏電池的輸出是一個隨溫度、光照等因素非線性變化的量，可以看出工程實用模型移植性好，提高其通用性而且可以對修正系數的典型值進行調整，改善了工程模型輸出特性曲線的精確度，最后利用MATLAB/GUI編寫了一款適用于光伏電池工程用數學模型的仿真計算軟件，通過在仿真平臺上設置輸入參數便可以簡潔而形象地分析電池的輸出特性，提供了良好的交互性，這為光伏電池輸出特性以及微電網的進一步研究提供一定的參考。