光伏电池实用模型研究

何文涛，解立辉

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

光伏电池实用模型研究

何文涛，解立辉

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

本文介绍一种简化光伏电池工程应用模型，根据此模型模拟模拟任意外界温度、光照强度、光伏模块参数、电池串并联方式下组合下的光伏阵列U-I、U-P曲线。模型内部参数有效的进行优化处理， 较好地反应了电池实际特性。MATALB软件建立仿真模型，将仿真结果与实际参数进行对比，效果较好。

光伏电池；U-I曲线；U-P曲线；MATLAB仿真

1 引言

环境问题俨然成为人类关注的焦点，低碳生活、可持续发展已经成为我国未来发展的方向[1]。提到节能减排就不得不提光伏发电，光伏发电顶着清洁发电的光环，成为大家讨论已近研究的热点。本文通过MTALAB仿真软件搭建数学模型，通过仿真得到光伏电池的输出的U-I、U-P曲线，仿真结果非常接近实际输出，设计是正确的。

2 光伏电池理想数学模型[2]

太阳能电池等效电路如图1所示。

(1)

Iph为光伏阵列电流；Io为反向饱和电流；q为电子电荷(1.6×1019C)；n为二极管因子；K为玻耳兹曼常数(1.38×1023J/K)；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。理论模型中的参数Iph、Io、Rs、n很难确定。

图1 太阳能电池等效电路

3 光伏电池实用模型[3-4]

厂家提供标准条件(光照强度S=1000W/m2，电池温度T=25℃)，电池板的四个测试参数Isc,、Uoc、Im、Um，建立工程用数学模型时，在式(1)的基础上进行简化得到

(2)

(3)

(4)

当日照强度和电池温度均有变化时，与实际环境存在偏差，修正参数如下：

(5)

ΔT=T-Tb

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，a取值0.00025，b取值0.00288，C值为0.5

T=Tair+KS

(11)

Tair为任意的外界温度，K的取值为0.04。

4 光伏电池Matlab/Simulink建模仿真[5-7]

通过上面的公式，我们在MTALAB/SIMULINK里面搭建模型[4]，只需要T、S、U、I这几个参数就能模拟电池的U-I、U-P曲线。我们搭建好模型后进行封装，得到封装模块，如图2所示。其输入参数T为环境温度，S为外界光照前度，U为输入电压，I为输出电流。a、b、c、K为内部封装参数。其内部数学模型结构如图3所示。

图2 模型封装图

图3 内部模型结构图

5 光伏电池输出特性

本文选择典型的Solarex MSx60 60W光伏阵列，标准测试条件下，光强Sref=1000W/m2，温度Tref=25℃。最大功率Pm=270W，峰值电流Im=7.5A，峰值电压Um=35V，短路电流Isc=8A，开路电压Uoc=44V。仿真模型图4所示。

图4中，Ramp为斜坡函数，模拟光伏电池电压输出。

可以获得不同条件下的U-I特性曲线跟U-P特性曲线如图5和图6所示[8-9]。

这里的温度值一定维持在25℃，图5中，我们能清楚的看到当S=1000W/m2,时，最大功率Pm的值在270W附近，最大功率点对应的电压Um大约为35V，与实际参数吻合。并且随着光照强度的降低最大功率下降得比较厉害，开路电压Uoc也在小范围内下降。图6中我们能看到，当光照强度S=1000W/m2时，短路电流Isc=8A,在一定电压范围内保持恒定值，在电压增加带一定值陡然下降至零。同时短路电压的值随着光照强度的下降而下降。光照强度的对最大功率、短路电流的影响很大。 这里的光照一定时光照强读值维持在1000W/m2,图7中我们能清楚看到，光照一定，光伏电池的最大功率值随着温度的升高而降低，但最大功率降低的比重远没有在温度一定，光强降低时那么大。开路电压随着温度的升高而减小。同时在图8中，我们也能发现，在光强一定，短路电流在电压增加到一定值下降时，是随着温度的升高而下降速率增加的[10]。当然，开路电压也是随着温度的升高而减小。

图4 系统模型图

图5 温度一定不同光照U-P曲线

图6 温度一定不同光照U-I曲线

6 结论

光伏电池作为一个非线性电源，其输出量受到外界环境、光照强度等诸多因素的影响。本文在光伏电池输出特性的基础上，运用MATALB软件进行模型搭建，仿真结果跟实际参数吻合，其输出U-I、U-P曲线很接近实际的输出特性曲线，实用性较强。并且该模型搭建简单、参数调整容易、通用性强、可靠度跟精度比较高，具有较好的理论分析以及工程设计使用价值。

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[10] RAUSCHENBACHHS.Solar Cell Array Design Handbook[M].New York:Litton Educational Publishing Inc,1980.

Practical Model of Photovoltaic Cells

HEWen-tao，XIELi-hui

(College of Electrical Engineering &Renewable Energy，Three Gorges University,Yichang 443002,China)

This paper describes a simplified model of photovoltaic cell engineering,photovoltaic array U-I analog simulation based on this model any outside temperature,light intensity,photovoltaic module parameters,battery of series and parallel combinations,U-P curve.Effective internal model parameters were optimized,better reflect the actual characteristics of the battery.MATALB software simulation model,the simulation results were compared with the actual parameters,the better.

photovoltaic cells;U-I curve;U-P curve; MATLAB simulation

1004-289X(2016)05-0037-03

TM91

B

2016-06-20

何文涛，男，湖北黄冈人，硕士研究生，从事新能源微电网、光伏发电方向研究； 解立辉，男，河北邢台人，讲师、工程师，从事电力电子变换、交流斩波器方向研究。