太阳能光伏电池建模及仿真研究

2019-03-06邢广成

船电技术 2019年2期

邢广成，陈芳

太阳能光伏电池建模及仿真研究

邢广成，陈芳

（河南城建学院电气与控制工程学院，河南平顶山 467036）

根据太阳能光伏电池的工作原理，建立以太阳能光伏电池输出特性为基础的等效数学模型，能够近似得到太阳能光伏阵列在某一光照强度和温度条件下的输出特性。采用Simulink建立太阳能光伏阵列的仿真数学模型，仿真结果表明该模型的正确性。通过分析研究模型数据，为光伏系统最大功率控制器的进一步设计奠定基础。

太阳能光伏电池数学模型仿真

0 引言

中国是最大的发展中国家，化石能源的大量使用必将排放大量的温室气体，造成严重的空气污染，光伏事业任重而道远。因此，将太阳能电池快速地融入能源市场，降低成本、提高转换效率同时提高产率，成为我国能源发展的当务之急。光伏系统是将太阳能转化成为电能的一种装置，要提高太阳能电池的转化效率，首先要把光伏电池的输出特性掌握清楚。然而太阳能电池输出不仅与内部结构参数相关，还与外部环境温度和光照强度相关，受制于实验条件、环境因素以及昂贵的研发费用制约，因此建模仿真成为光伏系统设计与研究的重要方法途径。[1,2]本文以无锡尚德公司生产的STP0950S-36型号的光伏阵列为研究基础，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏阵列的数学模型，仿真结果表明，该数学模型简单，并且具有较高的准确性，通过分析输出特性，为光伏控制系统最大功率控制设计打下坚实基础[3]。

1 光伏电池输出特性及数学模型

光伏电池在功能上相当于一个半导体二极管，当太阳光直接照射到光伏电池上时，光伏电池通过光生伏特效应将光能直接转换成电能。其等效电路图如图1所示。I为稳定状态下的负载电流；I为电池P-N结中的正向电流，I为在光照条件下，光伏电池产生的光生恒流电流。

图1 光伏电池的理想等效图

光伏阵列由多个光伏电池并联或串联组合而成，光伏电池组串联可以提高系统输出的最大直流电压，光伏电池组并联可以提高系统输出的最大直流电流，因此可以根据实际情况并联或串联得到理想的直流电流或直流电压。光伏模块最重要的两个参数是短路电流和开路电压，光伏电池组的输出特性方程为：

式中，I：稳定状态下的负载电流；

0：在没有光照的情况下，电池P-N结的反向饱和电流，一般与光伏电池的材料有关，是一个常值；

I：在光照条件下，光伏电池产生的光生恒流电流，光照强度越大，光生电流越大；

：理想因子；q：电子电荷，1.6×10-19C； K：波皮兹曼常数，1.38×10-23J/K；

n：光伏电池串联个数；n：光伏电池并联个数。

2 光伏电池Simulink模型建立

采用MATLALB软件Simulink工具箱建立光伏电池数学模型模型。为了便于仿真分析，将光伏电池模型封装为图2模型模块，该模型可以在任意温度和光照条件下，将光伏电池的输出特性保存到Matlab中去，以便于采集和绘制各种输出特性曲线[4-6]。

仿真的参数根据无锡尚德公司生产的STP0950S-36型号的光伏阵列，其各项参数如表1所示，它由36个多晶硅光伏电池串联组成，可以得到该光伏电池组件的输出特性方程：

表1 光伏阵列在标准测试条件下的参数

3 仿真结果及分析

可以按照图2所示光伏阵列模型进行仿真，通过改变环境温度T以及光照强度S，可以得到不同环境下光伏阵列的输出特性曲线。

在环境温度为25 ℃，光照强度为1000 W/m2时，光伏阵列的输出特性曲线如图3-a、3-b所示。

光伏阵列的输出特性与外界环境温度有关，通过改变光伏阵列的温度，输出特性曲线如图4-a、4-b所示。

当光照强度不变，环境温度发生改变时，光伏阵列的开路电压和短路电流也随之发生改变，且光伏阵列的温度越高，开路电压越小，而短路电流虽有上升，但是幅度不大。随着温度的升高，光伏阵列的输出功率会减小。

图3-a 标准测试条件下光伏阵列伏安特性图

图3-b 标准测试条件下光伏阵列功率电压特性图

图4-a 不同温度下光伏阵列伏安特性图

图4-b 不同温度下光伏阵列功率电压特性图

光伏阵列将光能转化成电能，显而易见，光伏阵列的输出特性与光照强度有关，改变光伏阵列的光照强度，输出特性曲线如图5-a、5-b所示。

由上图可知，当温度不变时，光照强度对光伏阵列的输出特性曲线影响较大，光照强度越大，光伏阵列的短路电流越大，而开路电压变化并不大，且光伏阵列的输出功率随着光照强度的增强而增大。

4 结论

本文从光伏电池的物理电路模型出发，建立了其简化的数学模型，其输出特性与外部环境温度和光照强度密切相关。以无锡尚德公司生产的STP0950S-36型号的光伏阵列为研究基础，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏阵列的数学模型，仿真结果表明，该数学模型简单，具有较高的准确性，通过分析输出特性，为光伏控制系统的进一步设计打下坚实基础。