核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室 西南科技大學(xué) 李懷良 石繁榮

光伏電池輸出特性仿真分析

核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室 西南科技大學(xué) 李懷良 石繁榮

太陽能作為最清潔的能源之一受到人們的青睞。本文主要開展光伏電池建模及其輸出特性研究，首先分析光伏電池的等效電路模型及數(shù)學(xué)模型，基于MATLAB/Simulink上建立仿真模型?；谠撃Ｐ屯瓿晒夥姵氐妮敵鎏匦苑治觯M(jìn)一步分析光照強(qiáng)度變化下的輸出特性以分析最大功率點。結(jié)果表明光伏電池的最大功率輸出點大致在最大功率電壓的平均值處，本文可為光伏電池最大功率跟隨算法設(shè)計和研究提供借鑒。

光伏電池；MPPT；MATLAB/Simulink；擾動觀察法

0 引言

太陽能是最豐富的清潔能源，且太陽能的利用不受地域限制，而光伏發(fā)電是目前利用太陽能最有效的途徑[1-3]。本文分析光伏電池的發(fā)電原理和等效模型，基于MATLAB構(gòu)建Simulink仿真模型，開展光伏電池的輸出特性研究。首先給出光伏電池的發(fā)電原理，基于二極管模型給出光伏電池等效電路，并推導(dǎo)出相關(guān)數(shù)學(xué)模型?；贛ATLAB/Simulink仿真建立光伏電池的仿真模型，完成其電流-電壓、功率-電壓特性分析，并完成光照強(qiáng)度變化下的輸出特性分析。

1 光伏電池模型分析

在實際應(yīng)用中光伏電池有四種不同的狀態(tài)：1)無光照、無電壓、無電流；2)有光照但短路 有短路電流；3)有光照但開路有開路電壓；3)有光照有負(fù)載 有電壓 有電流。本文使用理想化等效電路模型來說明，光伏電池的單二極管等效電路模型[1]如圖1所示。

圖1 光伏電池的單二極管等效電路模型

對于實際的光伏電池，影響轉(zhuǎn)換效率的主要因素是：1）串聯(lián)電阻RS，由正面金屬電極與半導(dǎo)體材料的接觸電阻、半導(dǎo)體材料的體電阻和電極電阻三個部分構(gòu)成；2）并聯(lián)電阻RP，主要由電池邊緣漏電或耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流導(dǎo)致[4]。由于光生電動勢使P-N結(jié)正向偏置，因此存在一個流經(jīng)二極管的漏電流，該電流與光生電流的方向相反，會抵消部分光生電流，被稱為暗電流ID。光伏電池的數(shù)學(xué)模型由下列方程給出。

式(1)是光伏電池在工程上的I-U表達(dá)式，由式(2)和(3)可以知道在當(dāng)參數(shù)ICS、UOC、Um、Im確定時C1、C2是確定的值[5]，通常情況下標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的ICS、UOC、Um和Im是已知值，當(dāng)環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度發(fā)生變化時以上數(shù)據(jù)需要重新進(jìn)行計算，計算得到的數(shù)據(jù)記為：ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe。在新的狀態(tài)下光伏電池的數(shù)據(jù)由以下方程得到。

方程中Tb和Sb分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的光伏電池的溫度和光照強(qiáng)度，其關(guān)鍵是輸入此刻的溫度和光照強(qiáng)度完成上述運(yùn)算，將當(dāng)前溫度下的C1和C2帶入式(1)即可得到光伏電池的U-I特性曲線[6][7]。本文選擇多晶硅電池STP260進(jìn)行仿真建模，其標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 多晶硅STP260參

2 基于Matlab 的電流-電壓和功率特性仿真

ICS_nwe、UOC_new、Um_new、Im_new和C1_new、C2_nwe變量建模采用Simulink庫中的常數(shù)模塊（Constant）、乘法模塊（Product）、增益模塊(Gain)按照方程中的算法建立了該模型。將已經(jīng)建立好的模型代入式(1)，得到光伏電池的U-I模型如圖2所示。利用Matlab的Fcn模塊實現(xiàn)式（1）計算和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。Fcn模塊中的表達(dá)式為u(1)*(1-u(2)*(exp(u(5)/(u(3)*u(4)))-1))，u(1)、u(2)、u(3)、u(4)和u(5)分別為輸入量的Isc、C1、C2、Uoc和U。

圖2 光伏電池內(nèi)部仿真圖

當(dāng)溫度為30℃和光照強(qiáng)度為800W/m2時，光伏電池的U-I特性如圖3所示?？芍?dāng)電壓在25V以內(nèi)時電流并不隨著電壓的變化而變化，光伏電池可以近似的看做一個恒流源，但是隨著電壓的進(jìn)一步增加，電流開始有了急劇的變化，即隨著電壓的增長電流急劇下降，這同時又說明在光伏電池的后半段并不是一個穩(wěn)定的恒流源。

圖3 光伏電池U-I特性圖

圖4 光伏電池P-U特性圖

當(dāng)溫度為30℃和光照強(qiáng)度為800W/m2時，光伏電池的P-U特性如圖4所示?？芍S著電壓的增加光伏電池的功率在不斷地增加，約在33V左右達(dá)到峰值，隨后功率急劇下降，而且功率下降的趨勢要大于電流下降的趨勢，在42V左右的電壓下二者同時降到零。

3 光強(qiáng)對電流-電壓和功率的特性影響

在一定的溫度下改變光照強(qiáng)度分析光伏電池的U-I特性和P-U特性。設(shè)溫度為25℃恒定不變，而光照強(qiáng)度分別為600W/m2、800W/m2、1000W/m2和1200W/m2。圖5所示為溫度恒定光照強(qiáng)度等差增加的U-I特性曲線。圖6所示為溫度恒定光照強(qiáng)度等差增加的P-U特性曲線。

可知隨著光照強(qiáng)度的增加光伏電池的初始電流也線性的增加，而電流最后降到零的點也有一定的后移，對于P-U曲線來說，很明顯隨著光照強(qiáng)度的增加最大功率也隨之增加。日照強(qiáng)度較高時，各曲線的最大功率點幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說明最大功率輸出點大致對應(yīng)于某個恒定電壓，這特性即是MPPT中定電壓跟蹤法的核心。即只需要將電壓的值恒定在最大功率電壓的平均值，就可以使光伏電池基本上工作在最大功率點。

圖5 不同光強(qiáng)下的U-I曲線

圖6 不同光強(qiáng)下的P-U曲線

4 結(jié)論

本文主要針對光伏電池的工作原理建立了其相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，基于Matlab/Simulink建立了光伏電池的仿真模型，以此仿真分析其輸出特性。仿真結(jié)果分析了光伏電池的U-I和P-U特性曲線，通過改變光照強(qiáng)度參數(shù)得到相應(yīng)的輸出特性特性，結(jié)果表明光伏電池的最大功率輸出點大致在最大功率電壓的平均值處，本文可為光伏電池最大功率跟隨算法設(shè)計和研究提供借鑒。

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