余基映，張　騰，譚興毅

(1.湖北民族學院科技學院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 理學院，湖北 恩施 445000)

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光伏電池陣列模型的Matlab設(shè)計與仿真

余基映1，張騰2*，譚興毅2

(1.湖北民族學院科技學院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族學院 理學院，湖北 恩施 445000)

摘要：利用Matlab軟件平臺搭建了光伏電池陣列的仿真電路模型，研究了光照因素、溫度因素及光伏電池內(nèi)部參數(shù)對光伏陣列電氣特性的影響，并針對動態(tài)光照條件下光伏陣列的輸出特性進行仿真和計算.研究結(jié)果表明：光照強度、溫度和串聯(lián)電阻的變化對光伏陣列開路電壓、短路電流、伏安特性、輸出功率及最佳工作點具有顯著影響，光伏陣列的仿真模型可以較好實現(xiàn)光伏陣列的動態(tài)仿真.

關(guān)鍵詞：光伏電池陣列；仿真；輸出特性

光伏發(fā)電技術(shù)是基于光伏效應(yīng)實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式，目前已被廣泛應(yīng)用于太空衛(wèi)星、電信基站及偏遠山區(qū)等領(lǐng)域，并逐步成為解決未來能源危機和生態(tài)環(huán)境問題的有效途徑[1-5].光伏陣列作為電能供應(yīng)裝置是構(gòu)成光伏系統(tǒng)的核心部件，其輸出特性的研究對于提高太陽能利用效率和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有關(guān)鍵性作用.利用計算機技術(shù)建立光伏陣列仿真模型可以方便地模擬和評估不同光照及溫度條件任意排列方式光伏陣列的輸出電氣特性，具有很好的實用價值和應(yīng)用前景.Matlab軟件因具有高效的計算性能而備受國內(nèi)外研究者青睞，被廣泛應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的設(shè)計和性能仿真研究[6-9].目前，普遍采用單二極管等效電路模型來建立光伏電池仿真模型[10-13]，該等效電路模型由線性直流源和單個二極管并聯(lián)組成，沒有考慮半導(dǎo)體耗盡層中因能量激發(fā)所產(chǎn)生電子恢復(fù)運動[14]，因而欠缺通用性.本文基于雙二極管等效電路模型[15]建立光伏電池單體模型，增加的二極管用來等效光伏電池漏電流特性，可以提升仿真效率和計算精度.利用Matlab軟件仿真模塊simElectronics組件庫搭建光伏陣列物理特性的通用仿真模型，該仿真模型以光照強度、環(huán)境溫度及光伏電池內(nèi)部參數(shù)為輸入條件，仿真得到光伏陣列的輸出V-I特性和V-P特性.通過模擬變化的光照條件，得到光伏陣列輸出電氣特性的動態(tài)仿真結(jié)果.

1光伏陣列模型

雙二極管等效電路模型如圖1所示，因此，輸出電流I滿足式(1)，其中Iph為光生電流，Rs、Rp表示光伏電池等效串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻，N1、N2代表二極管D1、D2理想因子，Is1、Is2代表二極管D1、D2反向飽和電流，Vt表示光伏電池熱電壓，滿足：Vt=kT/q，k為波爾茲曼常量，q為元電荷，T為光伏電池溫度.

圖1　光伏電池雙二極管等效電路模型Fig.1　Two diode of photovoltaic cell

(1)

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建光伏陣列仿真模型如圖2所示，光伏陣列由36塊光伏電池單體組成，圖3給出了光伏陣列子系統(tǒng)中各模塊連接方式.光伏陣列由6個光伏組件構(gòu)成，每個光伏組件由6個光伏電池串聯(lián)而成，光伏陣列的光照條件參數(shù)由SignalBuilder模擬產(chǎn)生，光伏電池單體模型基于雙二極管等效電路模型建立，仿真計算過程采用變步長Ode45(Dormand-Prince)算法，仿真運行速度快.

圖2　光伏陣列仿真模型 圖3　光伏陣列子系統(tǒng)連接拓撲結(jié)構(gòu)　　　Fig.2　Simulink modelfor photovoltaic array Fig.3　Connection ofphotovoltaic cells in photovoltaic array

Is1/AIs2/AN1N2Rs/WRp/W10-610-71.52.00.011000

表2　不同光照條件下光伏陣列輸出特性參數(shù)(T=25℃)

表3　不同溫度條件下光伏陣列輸出特性參數(shù)(Ir =1 kW/m2)

2仿真結(jié)果與討論

2.1光伏陣列光照及溫度特性仿真

設(shè)定光伏電池仿真參數(shù)如表1所示，在環(huán)境溫度為25℃條件下，改變光照強度Ir值分別為0.25、0.75和1.25 kW/m2得到光伏陣列V-I和V-P特性曲線如圖4所示，表2列出光伏陣列不同光照強度時開路電壓Voc、短路電流Isc及最大輸出功率Pm等參數(shù).由圖4可以看出，隨著光強增大，短路電流Isc和開路電壓Voc增大，光伏陣列輸出電流與輸出功率顯著上升，這是由于光強增加有利于提高光伏電池內(nèi)部載流子遷移率及光子吸收系數(shù)[16]，從而提升光伏陣列轉(zhuǎn)換效率.固定光照強度值為1 kW/m2，得到溫度T分別為15℃、25℃和35℃時光伏陣列V-I和V-P特性曲線如圖5所示，表3列出了不同溫度時光伏陣列的輸出特性參數(shù).由圖5可得，不同溫度下光伏陣列短路電流Isc基本不變，可見光生電流受溫度因素影響較小.隨著溫度升高，光伏陣列輸出電流與輸出功率明顯下降，其中開路電壓Voc和最大輸出功率Pm同時減小，該仿真結(jié)果與文獻[17]中光伏電池溫度特性的實驗研究結(jié)果基本一致.

從不同條件下的仿真結(jié)果可以看出，光照強度和溫度與光伏陣列的輸出電氣特性密切相關(guān)，隨著光強和溫度的變化，最大功率點(Um，Pm)發(fā)生明顯改變.由表3和表4仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可見，光強值變化量為500 W時，最佳工作電壓Um值平均變化幅度約為0.19 V，溫度變化量為10℃時，最佳工作電壓Um值變化平均幅度約為1.33 V，可見，溫度改變對最佳工作點(Um，Im)影響較大.該仿真結(jié)果可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中最佳工作點跟蹤技術(shù)[18-20]，實際光伏系統(tǒng)中可根據(jù)外部環(huán)境變化來實時調(diào)整光伏陣列工作點以滿足負載需求.

圖4　不同光照條件下光伏陣列輸出V-I和V-P曲線 圖5　不同溫度條件下光伏陣列輸出V-I和V-P曲線

RsIsc/AVoc/VUm/VIm/APm/W0.019.1822.1916.328.08132.070.0259.1722.1713.047.5398.210.059.0422.1311.675.2160.8

圖6　不同Rs值條件下光伏陣列輸出V-I和V-P曲線Fig.6　Photovoltaic array V-I and V-P curves for different Rs

2.2串聯(lián)電阻對光伏陣列輸出特性的影響

按照表1設(shè)定的仿真參數(shù)，改變光伏電池組件串聯(lián)電阻Rs大小依次為：0.01、0.025和0.05時，光伏陣列輸出特性參數(shù)、V-I特性及V-P特性曲線分別如表4和圖6所示，可見，光伏電池串聯(lián)電阻影響光伏陣列輸出伏安特性和輸出功率.從仿真結(jié)果可以看出，串聯(lián)電阻增大時光伏陣列輸出電流和輸出功率降低，且伏安特性曲線由非線性關(guān)系變?yōu)榫€性關(guān)系，短路電流Is值呈現(xiàn)減小趨勢，開路電壓Voc基本不變，最佳工作點(Um，Im)位置變化明顯，最大輸出功率Pm隨串聯(lián)電阻減小而增大.因此，針對光伏電池的生產(chǎn)工藝而言，較低的串聯(lián)電阻更有利于提升光伏陣列的輸出功率和光伏轉(zhuǎn)換效率[21].

2.3光伏陣列動態(tài)仿真

3結(jié)語

通過搭建光伏電池陣列的Matlab通用仿真電路模型，得到了不同條件下光伏陣列的輸出電氣參數(shù)，研究了光伏陣列的光照特性和溫度特性，并對光伏陣列進行了動態(tài)模擬仿真.研究結(jié)果表明：光伏陣列的輸出電流、輸出功率與光照強度呈正相關(guān)，與溫度呈負相關(guān).短路電流和開路電壓隨光照強度增強而增大，溫度的變化對光伏陣列短路電流無明顯影響，開路電壓隨溫度升高而減小，溫度和串聯(lián)電阻對光伏陣列最佳工作點影響較為顯著.光伏陣列的Matlab仿真模型仿真速度快，輸出特性與實際光伏陣列特性基本一致，能夠動態(tài)模擬仿真外部光照條件變化時光伏陣列輸出的電氣特性，可為實際光伏系統(tǒng)的理論研究和工程應(yīng)用提供平臺.

圖7　光伏陣列動態(tài)仿真結(jié)果Fig.7　Dynamic simulation results of photovoltaic array

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責任編輯：時凌

Design and Simulation of Photovoltaic Array Model Based on Matlab

YU Jiying1,ZHANG Teng2,TAN Xingyi2

(1.School of Science and Technology,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.School of Science,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Abstract：A circuit simulation model of photovoltaic array was developed based on Matlab/Simulink software, the effects of solar insolation, temperature and photovoltaic cell parameters on electrical behavior of photovoltaic array were analyzed, and the output characteristics of photovoltaic array under dynamic irradiance condition were simulated and calculated. The simulation results indicated that irradiance, temperature and series resistor have significant impact on open-curcuit voltage, short-circuit current, volt-ampere characteristic, output power and optimum working point of photovoltaic array. The developed model is capable of accomplishing dynamic simulation of photovoltaic array.

Key words：photovoltaic array; simulink; output characteristic

收稿日期：2015-11-26.

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB342).

作者簡介：余基映(1987- ),女,碩士,主要從事并行計算的研究；*通信作者：張騰(1987- ), 男, 碩士, 主要從事光電材料與器件的研究.

文章編號：1008-8423(2016)01-0064-04

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.017

中圖分類號：TM914

文獻標志碼：A