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

為了實現的光伏發電系統在最大功率點處工作，必須研究光伏電池的輸出特性。文中根據光伏電池的等效電路建立其數學模型，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：隨著社會的發展，人們對能源的需求越來越大，常規能源如：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點成為最理想的新型能源。目前利用和發展太陽能光伏發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。根據實際情況，電池本身也會具有電阻，由于電阻一般有串聯電阻和并聯電阻，因此，在光伏電池內部，串聯電阻為Rs，并聯電阻為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，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為串聯電阻；U為光伏電池輸出電壓。根據KVL可得：

式(3)中Rsh為并聯電阻。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學模型，在simulink中基于式(4)來建立數學模型比較復雜，一般先進行簡化，使用簡化后的數學模型來搭建模塊。

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

（2）光伏電池等效電路中，其串聯電阻Rs遠遠小于P-N結導通電阻，當發生短路時，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)，并根據開路條件，整理可得：

上述模型與實際的環境有一定偏差，因此需要對其進行修正。修正系數公式如下：

2 光伏電池建模及仿真

根據光伏電池的輸出電流表達式以及修正系數公式，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中創建了模型后，輸入設定的參數值，就可以進行仿真了。在保持外界環境溫度為不變時，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??；在保持光照強度不變，當外界環境溫度增大時，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境條件下輸出特性曲線，并根據曲線分析出影響光伏電池輸出特性的因素，為后面實現MPPT提供理論依據。