任意辐照与温度条件下光伏电池输出特性的建模与分析

徐剑峰

摘 要：根据光伏电池输出特性关系式，以MATLAB/Simulink軟件为电池模型仿真平台，建立辐照与温度可变的光伏电池仿真模型。模拟光伏电池在任意辐照度、环境温度下的输出特性，用于光伏阵列局部阴影时的仿真研究。

关键词：光伏电池；输出特性；仿真模型

1 概述

太阳能作为清洁可再生能源已成为各国研究的热点，光伏电池通过光伏打效应将太阳能转换为电能，其在光伏发电系统中占有主要作用。因此熟悉光伏电池在各种工况下的输出特性，对太阳能的发电系统的应用与设计非常重要。

本文通过对光伏电池输出特性进行建模，通过仿真得到光伏电池的各种特性曲线。仿真结果说明，仿真模型在不同工况下的输出特性与实际太阳能电池板输出特性非常接近，验证设计的准确性。

2 光伏电池数学模型

光伏电池发电原理是基于半导体PN结的光伏打效应，当物体接受光照时内部的电荷分布发生改变，从而产生电势。当与电池正负级连接的电路形成闭合回路时便会有功率输出。实际应用中通常把标准数量的光伏电池单体串并联起来获得一定的能量输出。

光伏电池的输出特性辐照度与温度影响较大，需要结合一定的环境修正参数才能更加准确描述光伏电池的输出特性。本文使用MATLAB建模的简化光伏电池数学模型[1-2]如下：

式中，C1、C2为修正系数，Iph为光伏电池短路电流，VOC为开路电压，Vm、Im为最大功率点电压、电流。

3 任意辐照度和温度下的光伏电池仿真结果

基于以上数学模型，在MATLAB/simulink工具下建立仿真模型。光伏电池组件厂商会提供标准工况下参数，最大功率点电压Vm=17.0V，最大功率点电流Im=4.4A，开路电压VOC=21.8V，短路电流Iph=4.80A。模型可以根据以上标准参数（环温25℃，光照为1000W/m2）得到标准情况下的输出特性曲线。当辐照度与温度发生变化时模型就不适用了。需要重新来描述新的输出特性曲线，一般可采用方法如下：

（1）计算出一般工况与标准工况的温度差△T和限度辐照差△S：△T=T-Tref，△S=S/Sref-1。

（2）根据标准温度Tref和f标准日照强度Sre下的Iph、VOC、Im、Vm推算出一般工况（辐照度S和温度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。首先，按照下列公式[3]分别计算一般工况（辐照度S和温度T）下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`。

式中系数α，β，γ的典型值为α=0.0025/℃，β=0.5，γ=0.00288/℃。将所求新工况下的Iph`、VOC`、Im`、Vm`取代标准工况下的Iph、VOC、Im、Vm，求得新工况下的C1`，C2`，可进一步利用式（1）求出新工况下的输出特性，解决任意辐照度和温度下的输出特性计算。

采用MATLAB/Simulink软件搭建光伏电池的仿真模型如图1所示。

图2为温度T=25℃，光照强度S分别为1000W/m2、800W/m2、600W/m2时，光伏电池的V-I、P-V特性曲线族。由该曲线可以判断出光伏电池的输出特性呈规则非线性，并且每一种工况下曲线都各有最大功率点。随着辐照强度的变化，开路电压VOC变化并不明显，而短路电流Isc则有较明显变化。最大功率点功率Pm随辐照度的变化也有明显变化。

图3为辐照度S=1000W/m2时，温度分别为0℃、25℃、50℃，光伏电池的V-I、P-V特性曲线族。由该曲线可以判断，当随温度变化时开路电压VOC线性变化，短路电流Iph的变化较微弱，最大功率点Pm也有很大的变化。

从仿真分析可知，随着光强和温度的变化，对光伏电池的输出特性影响较大，输出特性体现出严重的非线性，在工作环境（光强和温度）确定时P-V曲线上都会有一个最大功率点，仿真结果符合实际的光伏电池输出特性。

4 结束语

根据光伏电池等效电路模型，通过计算公式推导得到在光照和温度影响下准确描述光伏电池输出电压和电流关系的方程组，并利用MATLAB/simulink平台搭建仿真模型。仿真结果说明，只需要光伏模组厂家提供的通用基本参数就可以得到非常接近于实际环境下的光伏电池输出特性曲线，与光伏电池理想等效模型相比，该模型并不需要复杂的参数。当光伏阵列中的某几个光伏组件的光照强度不一致时，只需要将该模型参数稍加修改，就可以用于光伏阵列在局部阴影下的仿真研究。

参考文献

[1]王长江，基于MATLAB的光伏电池通用数学模型[J].电力科学与工程，2009，25（4）：11-14.

[2]周德佳，赵争鸣.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析[J].清华大学学报，2007，47（7）：1109-1102.

[3]张兴，曹仁贤，等.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010：41-46.