基于Matlab／Simulink的光伏電池仿真模型研究

摘要：介紹一種以輸出特性為基礎(chǔ)的光伏電池數(shù)學(xué)模型，該模型通過光伏電池的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)性能參數(shù)擬合出電池輸出特性，它能模擬光伏陣列在任意太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度下的輸出特性。最后，在Matlab／Simulink環(huán)境下建立光伏電池的仿真模型，將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：光伏電池；輸出特性；Matlab／Simulink；數(shù)學(xué)模型

隨著低碳經(jīng)濟(jì)和低碳技術(shù)的發(fā)展，太陽能作為一種潔凈可再生能源已成為各國研究的熱點(diǎn)，各國政府也相繼出臺(tái)各類政策支持太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。然而，由于其較高的研發(fā)費(fèi)用和受實(shí)際環(huán)境因素限制，使太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)發(fā)展需求。所以實(shí)驗(yàn)室仿真分析成為光伏電池設(shè)計(jì)與研究的有效手段。本文在Matlah／Simulink的仿真系統(tǒng)中，基于光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上對(duì)光伏電池進(jìn)行建模，仿真結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型的輸出特性與實(shí)際太陽能電池板輸出特性非常接近，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

1 光伏電池實(shí)用仿真數(shù)學(xué)模型
光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的，所謂的光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。所以光伏電池本身是一個(gè)P—N結(jié)，基本特性與二極管類似，其等效電路由光生電流源和一些電阻組成。仿真模型的特點(diǎn)是采用簡單且易獲取的參數(shù)擬合出光伏電池的輸出特性，適用于對(duì)電池外部特性進(jìn)行的仿真研究。根據(jù)光伏電池的V-I特性曲線可以得到基本輸出特性公式：

式中：U、I為電池輸出電壓和電流；C1，C2為修正系數(shù)。
上述數(shù)學(xué)模型還與實(shí)際環(huán)境存在一定偏差，所以應(yīng)該進(jìn)行修正。采用性能參數(shù)修正法建立的數(shù)學(xué)模型，在環(huán)境條件變化時(shí)，如溫度，光照強(qiáng)度等因素，可以對(duì)光伏電池的4個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行修正，得到接近實(shí)際環(huán)境下的光伏電池實(shí)用模型，修正系數(shù)如下所示：

式中：a和c為溫度補(bǔ)償系數(shù)，b為光強(qiáng)補(bǔ)償系數(shù)。

從上面公式得到的光伏電池實(shí)用仿真模型不需要復(fù)雜的參數(shù)，只需要4個(gè)基本性能參數(shù)就模擬光伏電池輸出特性。利用Matlah對(duì)上述光伏電池模型進(jìn)行仿真，以式(1)為數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)，在simulik里建立仿真模型。圖1為光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖2為該模型的封裝模塊，并在內(nèi)封裝Um，Uoc，Im，Isc以及Tref，Sref參數(shù)，太陽能電池模型參數(shù)設(shè)置圖3所示。其中V，I為模型實(shí)際電壓和電流，S，T分別為實(shí)際日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度。