基于Matlab/Simulink的光伏電池通用數學模型與仿真

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基于Matlab/Simulink的光伏電池通用數學模型與仿真

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【文章摘要】

【關鍵詞】

光伏電池；Matlab/Simulink仿真；特性曲線

引言

隨著經濟的發展和社會的進步，能源需求日益增長，常規能源越來越供不應求。同時，常規能源的大量使用造成了世界范圍內的環境污染和生態惡化，因此新能源的開發和應用成為當今世界發展的必然趨勢。太陽能是一種十分具有潛力的新能源，光伏發電是當前利用太陽能的主要方式之一［1］。由于光伏電池將太陽能轉化為電能的效率受光照強度和環境溫度的影響。因此，建立通用的光伏電池模型，研究光照強度和環境溫度對光伏電池輸出特性的影響是很有必要的。

1.光伏電池數學模型

由太陽能光伏電池等效電路可得出公式：

由以上公式可得光伏電池輸出電流的表達式為：

2.光伏電池Matlab/Simulink通用模型仿真

基于上述數學模型，本文在Matlab環境下，利用Simulink工具建立了一個光伏電池通用仿真模型，該模型僅需采用光伏電池廠家提供的光伏電池在標準測試條件（STC）下測出的參數，通過引入響應系數來考慮環境的影響，可以模擬各種實際光伏電池產品在不同太陽輻射強度、環境溫度下的P-V特性曲線和Ι-V特性曲線［4］。

對上述模型進行封裝如圖1所示，Te為環境溫度，S為光照強度，V為溫度光照強度光伏電池的工作電壓，雙擊模型，可對此進行參數設置，在參數對話框中輸入光伏電池標準測試條件下的參數即可得到在不同環境下的輸出特性曲線。

圖1　光伏電池仿真模型的封裝

從仿真結果可以看出，光照強度對光伏電池的短路電流有影響，當光照強度增加時，短路電流增加，最大功率點有所提高；工作的環境溫度對光伏電池的開路電壓有影響，當溫度升高時，開路電壓會降低，但其短路電流卻幾乎不變，輸出功率略微下降。這符合光伏電池的輸出特性，可以充分說明利用該數學模型模擬實際光伏電池的輸出特性以及光照強度、溫度對輸出特性的影響是有效的。

3.結論

光伏電池是一個非線性電源，其輸出量與光照強度和環境溫度等因素有著密切的關系。通常光伏電池的模型是以光伏電池的等效電路為基礎，基于器件的半導體特性及物理特性建立的［5］，這些模型都需要已知一些特定的參數，如串聯電阻等，一般廠家不提供這些參數，不便于分析研究。而本文研究的模型僅采用光伏電池廠家提供的光伏電池在標準測試條件（STC）下測出的參數，就可以模擬各種實際光伏電池產品在不同太陽輻射強度、環境溫度下的輸出特性，方便工程應用，具有很好的實用性［6］。

圖2　不同光照強度下的P-V特性曲線

【參考文獻】

［1］吳海濤，孔娟，夏東偉.基于MATLAB/ Simulink的光伏電池建模與仿真［J］.青島大學學報，2006.12，21（4）：74-77.

［2］陳玉鳴，張寅孩.基于MATLAB的光伏模塊通用仿真模型［J］.工業控制計算機，2012，25（3）:30-31.

［3］王長江.基于MATLAB的光伏通用數學模型［J］.電力科學與工程，2009.4，25 （4）：11-14.

［4］王琴，姜豐，鐘清瑤.光伏電池建模及其輸出特性仿真［J］.低壓電器，2011，（10）：10-12.

［5］BALTAS P.The Arizona university photovoltaic designer program （ASUPVD）［S］.Department of Electrical and Computer Engineering，Arizona State University，1996.

［6］范發靖，袁曉玲.基于MATLAB的光伏電池建模方法的比較［J］.機械制造與自動化，2012.4，41（2）：157-159，163.

根據光伏電池的數學模型，在Matlab/ Simulink仿真環境下，建立了光伏電池模塊的通用仿真模型。該模型僅需采用光伏電池廠家提供的光伏電池在標準測試條件（STC）下測出的參數，通過引入響應系數來考慮環境的影響，可以模擬各種實際光伏電池產品在不同太陽輻射強度、環境溫度下的P-V特性曲線和I-V特性曲線，具有很好的實用性，可以滿足工程項目進行物理模擬的精度要求。