邢廣成，陳 芳

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太陽能光伏電池建模及仿真研究

邢廣成，陳 芳

（河南城建學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院，河南平頂山 467036）

根據(jù)太陽能光伏電池的工作原理，建立以太陽能光伏電池輸出特性為基礎(chǔ)的等效數(shù)學(xué)模型，能夠近似得到太陽能光伏陣列在某一光照強(qiáng)度和溫度條件下的輸出特性。采用Simulink建立太陽能光伏陣列的仿真數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明該模型的正確性。通過分析研究模型數(shù)據(jù)，為光伏系統(tǒng)最大功率控制器的進(jìn)一步設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

太陽能光伏電池 數(shù)學(xué)模型 仿真

0 引言

中國是最大的發(fā)展中國家，化石能源的大量使用必將排放大量的溫室氣體，造成嚴(yán)重的空氣污染，光伏事業(yè)任重而道遠(yuǎn)。因此，將太陽能電池快速地融入能源市場，降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率同時提高產(chǎn)率，成為我國能源發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。光伏系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化成為電能的一種裝置，要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，首先要把光伏電池的輸出特性掌握清楚。然而太陽能電池輸出不僅與內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，還與外部環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度相關(guān)，受制于實驗條件、環(huán)境因素以及昂貴的研發(fā)費用制約，因此建模仿真成為光伏系統(tǒng)設(shè)計與研究的重要方法途徑。[1,2]本文以無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列為研究基礎(chǔ)，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型簡單，并且具有較高的準(zhǔn)確性，通過分析輸出特性，為光伏控制系統(tǒng)最大功率控制設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)[3]。

1 光伏電池輸出特性及數(shù)學(xué)模型

光伏電池在功能上相當(dāng)于一個半導(dǎo)體二極管，當(dāng)太陽光直接照射到光伏電池上時，光伏電池通過光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換成電能。其等效電路圖如圖1所示。I為穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電流；I為電池P-N結(jié)中的正向電流，I為在光照條件下，光伏電池產(chǎn)生的光生恒流電流。

圖1 光伏電池的理想等效圖

光伏陣列由多個光伏電池并聯(lián)或串聯(lián)組合而成，光伏電池組串聯(lián)可以提高系統(tǒng)輸出的最大直流電壓，光伏電池組并聯(lián)可以提高系統(tǒng)輸出的最大直流電流，因此可以根據(jù)實際情況并聯(lián)或串聯(lián)得到理想的直流電流或直流電壓。光伏模塊最重要的兩個參數(shù)是短路電流和開路電壓，光伏電池組的輸出特性方程為：

式中，I：穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電流；

0：在沒有光照的情況下，電池P-N結(jié)的反向飽和電流，一般與光伏電池的材料有關(guān)，是一個常值；

I：在光照條件下，光伏電池產(chǎn)生的光生恒流電流，光照強(qiáng)度越大，光生電流越大；

：理想因子；q：電子電荷，1.6×10-19C； K：波皮茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；

n：光伏電池串聯(lián)個數(shù)；n：光伏電池并聯(lián)個數(shù)。

2 光伏電池Simulink模型建立

采用MATLALB軟件Simulink工具箱建立光伏電池數(shù)學(xué)模型模型。為了便于仿真分析，將光伏電池模型封裝為圖2模型模塊，該模型可以在任意溫度和光照條件下，將光伏電池的輸出特性保存到Matlab中去，以便于采集和繪制各種輸出特性曲線[4-6]。

仿真的參數(shù)根據(jù)無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列，其各項參數(shù)如表1所示，它由36個多晶硅光伏電池串聯(lián)組成，可以得到該光伏電池組件的輸出特性方程：

表1 光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

可以按照圖2所示光伏陣列模型進(jìn)行仿真，通過改變環(huán)境溫度T以及光照強(qiáng)度S，可以得到不同環(huán)境下光伏陣列的輸出特性曲線。

在環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1000 W/m2時，光伏陣列的輸出特性曲線如圖3-a、3-b所示。

光伏陣列的輸出特性與外界環(huán)境溫度有關(guān)，通過改變光伏陣列的溫度，輸出特性曲線如圖4-a、4-b所示。

當(dāng)光照強(qiáng)度不變，環(huán)境溫度發(fā)生改變時，光伏陣列的開路電壓和短路電流也隨之發(fā)生改變，且光伏陣列的溫度越高，開路電壓越小，而短路電流雖有上升，但是幅度不大。隨著溫度的升高，光伏陣列的輸出功率會減小。

圖3-a 標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏陣列伏安特性圖

圖3-b 標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏陣列功率電壓特性圖

圖4-a 不同溫度下光伏陣列伏安特性圖

圖4-b 不同溫度下光伏陣列功率電壓特性圖

光伏陣列將光能轉(zhuǎn)化成電能，顯而易見，光伏陣列的輸出特性與光照強(qiáng)度有關(guān)，改變光伏陣列的光照強(qiáng)度，輸出特性曲線如圖5-a、5-b所示。

由上圖可知，當(dāng)溫度不變時，光照強(qiáng)度對光伏陣列的輸出特性曲線影響較大，光照強(qiáng)度越大，光伏陣列的短路電流越大，而開路電壓變化并不大，且光伏陣列的輸出功率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。

4 結(jié)論

本文從光伏電池的物理電路模型出發(fā)，建立了其簡化的數(shù)學(xué)模型，其輸出特性與外部環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度密切相關(guān)。以無錫尚德公司生產(chǎn)的STP0950S-36型號的光伏陣列為研究基礎(chǔ)，采用MATLAB Simulink工具箱建立光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型簡單，具有較高的準(zhǔn)確性，通過分析輸出特性，為光伏控制系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。

圖5-a 不同光照條件下光伏陣列伏安特性圖

圖5-b 不同光照條件下光伏陣列功率電壓特性圖

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Solar Photovoltaic Cell Modeling and Simulation Research

Xing Guangcheng, Chen Fang

(Henan College of Urban Construction, Pingdingshan 467036, Henan, China)

TP29

A

1003-4862（2019）02-027-03

2018-10-23

邢廣成（1981-），男，講師。研究方向：計算機(jī)智能控制。E-mail: carrysi@foxmail.com