光伏电池输出特性仿真分析

核废物与环境安全国防重点学科实验室 西南科技大学 李怀良 石繁荣

光伏电池输出特性仿真分析

核废物与环境安全国防重点学科实验室 西南科技大学 李怀良 石繁荣

太阳能作为最清洁的能源之一受到人们的青睐。本文主要开展光伏电池建模及其输出特性研究，首先分析光伏电池的等效电路模型及数学模型，基于MATLAB/Simulink上建立仿真模型。基于该模型完成光伏电池的输出特性分析，进一步分析光照强度变化下的输出特性以分析最大功率点。结果表明光伏电池的最大功率输出点大致在最大功率电压的平均值处，本文可为光伏电池最大功率跟随算法设计和研究提供借鉴。

光伏电池；MPPT；MATLAB/Simulink；扰动观察法

0 引言

太阳能是最丰富的清洁能源，且太阳能的利用不受地域限制，而光伏发电是目前利用太阳能最有效的途径[1-3]。本文分析光伏电池的发电原理和等效模型，基于MATLAB构建Simulink仿真模型，开展光伏电池的输出特性研究。首先给出光伏电池的发电原理，基于二极管模型给出光伏电池等效电路，并推导出相关数学模型。基于MATLAB/Simulink仿真建立光伏电池的仿真模型，完成其电流-电压、功率-电压特性分析，并完成光照强度变化下的输出特性分析。

1 光伏电池模型分析

在实际应用中光伏电池有四种不同的状态：1)无光照、无电压、无电流；2)有光照但短路 有短路电流；3)有光照但开路有开路电压；3)有光照有负载 有电压 有电流。本文使用理想化等效电路模型来说明，光伏电池的单二极管等效电路模型[1]如图1所示。

图1 光伏电池的单二极管等效电路模型

对于实际的光伏电池，影响转换效率的主要因素是：1）串联电阻RS，由正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻三个部分构成；2）并联电阻RP，主要由电池边缘漏电或耗尽区内的复合电流导致[4]。由于光生电动势使P-N结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流ID。光伏电池的数学模型由下列方程给出。

式(1)是光伏电池在工程上的I-U表达式，由式(2)和(3)可以知道在当参数ICS、UOC、Um、Im确定时C1、C2是确定的值[5]，通常情况下标准环境下的ICS、UOC、Um和Im是已知值，当环境温度和光照强度发生变化时以上数据需要重新进行计算，计算得到的数据记为：ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe。在新的状态下光伏电池的数据由以下方程得到。

方程中Tb和Sb分别为标准状态下的光伏电池的温度和光照强度，其关键是输入此刻的温度和光照强度完成上述运算，将当前温度下的C1和C2带入式(1)即可得到光伏电池的U-I特性曲线[6][7]。本文选择多晶硅电池STP260进行仿真建模，其标准环境参数如表1所示。

表1 多晶硅STP260参

2 基于Matlab 的电流-电压和功率特性仿真

ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe变量建模采用Simulink库中的常数模块（Constant）、乘法模块（Product）、增益模块(Gain)按照方程中的算法建立了该模型。将已经建立好的模型代入式(1)，得到光伏电池的U-I模型如图2所示。利用Matlab的Fcn模块实现式（1）计算和数据关联。Fcn模块中的表达式为u(1)*(1-u(2)*(exp(u(5)/(u(3)*u(4)))-1))，u(1)、u(2)、u(3)、u(4)和u(5)分别为输入量的Isc、C1、C2、Uoc和U。

图2 光伏电池内部仿真图

当温度为30℃和光照强度为800W/m2时，光伏电池的U-I特性如图3所示。可知当电压在25V以内时电流并不随着电压的变化而变化，光伏电池可以近似的看做一个恒流源，但是随着电压的进一步增加，电流开始有了急剧的变化，即随着电压的增长电流急剧下降，这同时又说明在光伏电池的后半段并不是一个稳定的恒流源。

图3 光伏电池U-I特性图

图4 光伏电池P-U特性图

当温度为30℃和光照强度为800W/m2时，光伏电池的P-U特性如图4所示。可知随着电压的增加光伏电池的功率在不断地增加，约在33V左右达到峰值，随后功率急剧下降，而且功率下降的趋势要大于电流下降的趋势，在42V左右的电压下二者同时降到零。

3 光强对电流-电压和功率的特性影响

在一定的温度下改变光照强度分析光伏电池的U-I特性和P-U特性。设温度为25℃恒定不变，而光照强度分别为600W/m2、800W/m2、1000W/m2和1200W/m2。图5所示为温度恒定光照强度等差增加的U-I特性曲线。图6所示为温度恒定光照强度等差增加的P-U特性曲线。

可知随着光照强度的增加光伏电池的初始电流也线性的增加，而电流最后降到零的点也有一定的后移，对于P-U曲线来说，很明显随着光照强度的增加最大功率也随之增加。日照强度较高时，各曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明最大功率输出点大致对应于某个恒定电压，这特性即是MPPT中定电压跟踪法的核心。即只需要将电压的值恒定在最大功率电压的平均值，就可以使光伏电池基本上工作在最大功率点。

图5 不同光强下的U-I曲线

图6 不同光强下的P-U曲线

4 结论

本文主要针对光伏电池的工作原理建立了其相关的数学模型，基于Matlab/Simulink建立了光伏电池的仿真模型，以此仿真分析其输出特性。仿真结果分析了光伏电池的U-I和P-U特性曲线，通过改变光照强度参数得到相应的输出特性特性，结果表明光伏电池的最大功率输出点大致在最大功率电压的平均值处，本文可为光伏电池最大功率跟随算法设计和研究提供借鉴。

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