光伏电池的建模与仿真

光伏电池的建模与仿真

作者：吴洋张嫒嫒侯奎

来源：《科技视界》2017年第09期

【摘要】本文在光伏电池的等效电路模型的基础之上，推导了光伏电池的数学模型，在工程允许条件下，简化数学模型，建立了光伏电池的简化模型，基于MATLAB/Simulink仿真平台，搭建光伏电池的仿真模型，完成了在不光照条件和不同温度条件下的仿真实验，结果验证了光伏电池简化数学模型正确性和有效性。

【关键词】光伏电池；数学模型；Simulink仿真

【Abstract】Based on the equivalent circuit model of photovoltaic cells， this paper deduces the mathematical model of photovoltaic cells， simplifies the mathematical model under engineering allowable conditions， establishes a simplified model of photovoltaic cells. Based on

MATLAB/Simulink simulation platform， The simulation model of the battery is completed and the simulation experiment under the condition of non-illumination and different temperature is completed. The results verify the correctness and validity of the simplified mathematical model of the photovoltaic cell.

【Key words】Photovoltaic cells； Mathematical model； Simulink simulation

0 前言

随着全球的能源问题的日益严峻，人们必须走一条可持续发展的道路[1]。一方面保护环境使其不被破坏，避免温室效益带来的灾难，而另一方面又要满足人类对化石能源的需求，这俨然已经成为了摆在人们面前的一道难题，因此，大力研究和发展新型清洁能源和可再生能源成为了当今世界能源研究的热门，也是能源发展的必经之路。而太阳能光伏发电具有发电过程简单、没有机械转动部件、不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质、无噪声和无污染的优点。因此，光伏发电成为了国内外的研究热点。其中光伏电池作为太阳能光伏发电的核心，研究光电池的建模具有重要的意义。

1 光伏电池的等效电路模型

通常基于光伏电池的简化电路模型来推导其数学模型，并依照其数学模型搭建仿真模型，光伏电池的等效电路如图1所示。其中Iph为光生电流。而光伏电池面积大小和太阳光的辐照度会影响着Iph值。但当光照强度为零的情况下，光伏电池类似于一个二极管。Id为暗电流。光伏电池输出电流为IL，Voc为开路电压，但需注意的是，开路电压与光照强度有关而与电池

面积无关。RL为负载电阻，Rs为等效串联电阻，Rsh为等效旁路电阻。它们均为光伏电池固有内阻，在理想光伏电池参数的计算时可以忽略不计。

理想光伏电池各变量之间的关系为：

式（1）～（4）中，Isat为光伏电池反向饱和电流，与光照强度无关，仅仅与自身材料有关；Isc为光伏电池等效模型中的短路电流。q为单位电子电荷，值为1.6×10-19C；k为玻尔兹曼常数，值为1.28×10-23J/K；T为热力学温度，单位为K；A为一个常数，与PN结有关，其取值范围通常在1到2之间。

将式（1）～（4）整合，可得光伏电池简化模型的数学表达式：

2 光伏电池的建模

由式（5）可作出以下两点近似：

1）一般情况下光伏电池的等效并联电阻Rsh的值非常大，因此（Vpv+IpvRs）/Rsh项远远小于光伏电池的光生电流，故可在工程允许的条件下忽略项；

2）在工程允许的条件下假设Iph=Isc，并且由于等效电路串联电阻Rs十分小，故可定义：（a）开路状态下，Vpv=Voc，Ipv=0；（b）光伏电池工作在MPP处时，Vpv=Vm，

Ipv=Im。

由上述假设可得到光伏电池的数学模型，其数学模型可简化为：

因此，当知道Isc、Voc、Im、Vm值的大小后，则可由式（9）和（11）算出系数C1和C2，最终由式（6）确定光伏电池的输出特性曲线。

由上述可知，光伏电池所在环境的光照强度和环境温度影响着光伏电池的输出特性。本文中将光伏电池的参考光照强度设置为Sref=1000W/m2，将参考电池温度设置为Tref=25℃。

设T为光伏电池温度，得出了其计算公式：

T（℃）=Tair（℃）+K（℃·m2/W）·S（W/m2）（12）

通常情况下，K=0.03（℃·m2/W）。

由上式我们可以得到光伏电池在任意光照强度和电池温度下的输出特性曲线上任意工作点（V’，I’）。

式（14）中，α为电流温度系数，单位为A/℃，β为电压温度系数，单位为V/℃，其实测值分别为：α=0.0012 Isc（A/℃），β=0.005Voc（V/℃）。

3 仿真结果及分析

如图2所示为太阳能光伏电池的仿真模型。本文中将光伏电池的参考光照强度设置为Sref=1000W/m2，将参考电池温度设置为Tref =25℃。光伏电池的输出特性曲线如图3所示。

由图3（a）～（d）可知，在不同的温度下都对应不同的光伏特性曲线，每一条曲线都对应有一个最大功率点，随着温度的增加曲线逐渐向上移，最大功率值也越大。

4 结论

本文推导了光伏电池的数学模型，基于MATLAB/Simulink仿真平台，建立了光伏电池的仿真模型，仿真结果表明了光伏电池数学模型的正确性。

【参考文献】

[1]李俊峰，时璟丽.国内外可再生能源政策综述与进一步促进我国可再生能源发展的建议[J].可再生能源，2006，5（1）：1-6.

[2]翟艳烁，马林生，赵全香，等.太阳能光伏电池的建模与仿真[J].电气开关，2012， 50（3）：35-37.

[3]王竞超，汪友华.光伏电池的建模和仿真[J].电源技术，2012，36（9）：50-52.

[责任编辑：朱丽娜]