基于Simulink的光伏电池建模仿真及输出特性分析

2018-11-14安徽理工大学电气与信息工程学院李孟帅

电子世界 2018年20期

安徽理工大学电气与信息工程学院李孟帅唐磊杜康

为了实现的光伏发电系统在最大功率点处工作，必须研究光伏电池的输出特性。文中根据光伏电池的等效电路建立其数学模型，并基于simulink仿真模块，搭建了光伏电池的仿真模型。该模型能模拟在不同的光照强度和环境温度下光伏电池的P-U以及I-U输出特性曲线，仿真结果验证了光伏电池模型的准确性。

引言：随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，常规能源如：煤、石油等作为世界各国主要的能源必将导致能源的日益枯竭，而且这些能源燃烧后的物质还会污染周围环境以及空气。因此，寻找新的可再生的清洁能源成为世界各国首要的目标。太阳能由于遍布广泛，而且取之不尽用之不竭等优点成为最理想的新型能源。目前利用和发展太阳能光伏发电是各国研究的首要任务。本文基于simulink仿真模块，建立了光伏电池的仿真模型，并对其进行仿真，得到光伏电池在不同的外界环境条件下的输出特性曲线，并对仿真结果进行了简单分析。

1 光伏电池的数学模型

光伏电池的功能为能量转换，将太阳能转换为电能。其基本构造为半导体的P-N结。因此，在光照强度不变的情况下，可以认为光生电流Iph也不变，即光生电流Iph只与光照强度有关，由此可将其看成一个电流源。光生电流Iph有一部分流过P-N结二极管，这一部分电流称之为暗电流，即Id。根据实际情况，电池本身也会具有电阻，由于电阻一般有串联电阻和并联电阻，因此，在光伏电池内部，串联电阻为Rs，并联电阻为Rsh。图1所示为光伏电池等效电路图。

图1 光伏电池的等效电路

图1中，根据基尔霍夫电流定律可得光伏电池的输出电流为：

式(1)中：Iph为光生电流；Id为流过二极管的电流；Iph为并联支路电流。其中，暗电流与电压的关系为：

式(2)中：I0为二极管反向饱和电流；为电荷电量；K为玻尔兹曼常数，其值为为二极管曲线因子，一般取1；T为太阳能表面绝对温度；Rs为串联电阻；U为光伏电池输出电压。根据KVL可得：

式(3)中Rsh为并联电阻。将(2)式和(3)式代入(1)式，可得：

式(4)为光伏电池的输出电流的数学模型，在simulink中基于式(4)来建立数学模型比较复杂，一般先进行简化，使用简化后的数学模型来搭建模块。

（1）光伏电池等效电路中，其串联电阻Rs远远小于并联电阻Rsh，因此流过并联电阻Rsh的电流远远小于流过串联电阻Rs的电流，因此，可以将并联支路的电流Rsh的电流忽略不计。

（2）光伏电池等效电路中，其串联电阻Rs远远小于P-N结导通电阻，当发生短路时，可以认为短路电流Isc就等于光生电流Iph。

（3）在搭建模型的过程中，在标准外界条件下，光伏电池的开路电压U等于标准外界条件下开路电压Uoc。最大功率点处的电压U等于标准外界条件下的电压Um。

由上述简化分析，式(4)可以化为式(5)：

将最大功率点处的电压和电流代入式(5)整理可得：

将A的值代入式(5)，并根据开路条件，整理可得：

上述模型与实际的环境有一定偏差，因此需要对其进行修正。修正系数公式如下：

2 光伏电池建模及仿真

根据光伏电池的输出电流表达式以及修正系数公式，可以建立光伏电池的模型，为了研究光伏电池的输出特性曲线，按图2所示搭建光伏电池的仿真模型。

图2 光伏电池的仿真模型

3 输出特性分析

在simulink中创建了模型后，输入设定的参数值，就可以进行仿真了。在保持外界环境温度为不变时，不断调整光照强度，得到光伏电池的P-U，I-U曲线如图3所示，光照强度分别取

图3 特性曲线

图4 特性曲线

通过上述的仿真结果可以看出，光照强度和外界环境温度都会影响光伏电池的输出特性。在保持温度不变时，光伏电池的最大输出功率随光照强度的增大而增大，由图3可以看出光照强度对光伏电池的电流影响比较大，对电压的影响较小；在保持光照强度不变，当外界环境温度增大时，光伏电池的开路电压减小，短路电流增大，最大输出功率减小。