基于matalab太陽能光伏電池輸出特性建模及仿真

1、基于Matlab的光伏電池輸出特性的建模及仿真 摘要：本文根據(jù)光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型,依托Matlab/simulink仿真平臺建立光伏電池的仿真模型，直接模擬光伏電池工作狀況的方法,該仿真模型能準確反映光伏電池的輸出特性,而且參數(shù)調(diào)節(jié)方便。文章主要對不同溫度變化和日照強度變化條件下光伏電池輸出的特性進行了研究,得到了光伏電池輸出特性變化的一般規(guī)律。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,光伏電池的輸出特性呈非線性。并在此基礎(chǔ)上又深入探索了三個溫度不同的光伏電池串聯(lián)或者并聯(lián)后在不同光照強度下的輸出特性。由仿真結(jié)果分析出，串聯(lián)模組或者并聯(lián)模組的輸出呈現(xiàn)多峰的特性。 關(guān)鍵詞：光伏電池 Matlab/simulink 輸

2、出特性 Based on the Matlab modeling and simulation of photovoltaic cells output characteristics ABSTRACT：In this paper, based on engineering mathematics model of photovoltaic cells, based on Matlab/simulink simulation platform, a simulation model of photovoltaic cells is established direct simulation m

3、ethod of working condition of the photovoltaic cells, the simulation model can accurately reflect the output characteristics of photovoltaic cells, but also convenient for parameter adjustment. This paper changes with different temperature and sunshine intensity under the condition of photovoltaic c

4、ells output characteristics are studied, the photovoltaic battery output characteristic changes of general rules. Data analysis results show that the output characteristics of photovoltaic cells is nonlinear.KEYWORDS: photovoltaic cells Matlab/simulink output characteristic 前言：隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于能源的需求越來越

5、大。目前世界各國大多仍然以石油、天然氣和煤炭等原料作為主要能源，這必將導(dǎo)致能源的日益枯竭與環(huán)境污染的日益突出，因此能源的充分利用與環(huán)境保護已成為21世紀人類面臨的兩項重大難題。目前，包括太陽能、風(fēng)能、水能、海洋能、地熱能等在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展與應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注，但是與化石燃料相比，可再生能源具有能量密度低、隨著季節(jié)、晝夜與氣候條件的變化而變化、難于運輸?shù)忍攸c。因此要用可再生能源取代化石能源則需解決一系列的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟性的問題。而太陽能作為廣泛分布的“清潔能源”，有較好的應(yīng)用前景。目前太陽能利用的基本方式有三種：太陽能熱利用、太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電。而光伏電池作為太陽能光伏發(fā)電的核心

6、部分，其輸出特性具有顯著的非線性，其光電轉(zhuǎn)換效率迄今為止仍然很低，這些因素都說明對光伏電池輸出特性的研究是該行業(yè)的一個重要課題1。本文在了解了光伏電池原理的基礎(chǔ)上在 Matlab/simulink的仿真系統(tǒng)中5，建立了一種實用性較強的光伏電池模塊仿真模型，該模型忽略了一些次要因素的影響，在不同太陽輻射強度和溫度下模擬出太陽電池陣列的輸出特性，并對仿真結(jié)果進行了分析，為后續(xù)做最大功率點追蹤電路設(shè)計奠定了一定基礎(chǔ)。1. 本課題主要研究內(nèi)容和意義1.1 研究內(nèi)容 1、建立了一組光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，在 Matlab/simulink的仿真系統(tǒng)中，建立了一種實用性較強的光伏電池模塊仿真模型，該模型忽略了

7、一些次要因素的影響，在不同光照強度和環(huán)境溫度下模擬出光伏電池的輸出特性，并對仿真結(jié)果進行了分析，為后續(xù)做最大功率點追蹤電路設(shè)計奠定了一定基礎(chǔ)。 2、建立光伏電池matlab數(shù)值模型，理解光伏電池的輸出特性，了解影響光伏電池輸出特性的各個環(huán)境因素。1.2 研究意義1、通過模擬光伏電池輸出的I-V曲線，從而能夠代替實際的太陽能光伏電池陣列在室內(nèi)進行各種光伏實驗，并滿足易于修改設(shè)定的要求的光伏電池模擬器。使光伏實驗不再受到場地、自然氣候條件等的影響，降低實驗成本，節(jié)省實驗時間。 2、建立光伏電池仿真模型，有利于理解光伏陣列的輸出特性，了解影響光伏電池輸出特性的各個環(huán)境因素，并將這些影響因素

8、置入實際使用中，提高光伏電池轉(zhuǎn)換率。2.光伏電池的原理2.1光生伏特效應(yīng)原理 太陽能光伏電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)2，即利用光電材料受到光照射后發(fā)生光電效應(yīng)，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。當太陽光照射到光伏電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光電子光生空穴對，在電池內(nèi)電場的作用下，光生電子和光生空穴對被分離，光生電子被推向半導(dǎo)體的N區(qū)，光生空穴被推向半導(dǎo)體P區(qū)，如此便在P-N結(jié)兩側(cè)形成了正負電荷的積累，產(chǎn)生了光生電動勢，這就是“光電效應(yīng)”。能產(chǎn)生光電效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多種，如單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、硒銦銅等，這些半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)化原理基本相同。以硅基半導(dǎo)體做成的光伏電池為例：在其內(nèi)電場的兩側(cè)

9、引出導(dǎo)線并接上負載，則電路中就會有電流流過，該電流稱為“光生電流”?！肮馍娏鳌睆陌雽?dǎo)體的P區(qū)經(jīng)負載流至N區(qū)，負載即得到功率輸出，這樣就完成了將光能轉(zhuǎn)換為電能。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過P-N結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生。因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋P-N結(jié)，以增加入射光的面積。圖1光生伏特效應(yīng)原理簡圖2.2光伏電池等效電路 根據(jù)電子學(xué)理論,太陽電池的等效電路如圖2所示。圖2 光伏電池等效電路用公式2表示光伏電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程： （1） （2）公式中： ：光生電流，； ：流過電流二極管的電流，； ：

10、輸出電壓，； ：輸出電流，； ：等效并聯(lián)負載，； ：等效串聯(lián)負載，； ：反向飽和電流，； ：電子電荷； ：二極管因子； ：玻爾茲曼常數(shù)；其中式（2）中的值很大，而的值很小。因此在一般分析中為了簡化分析過程中可將其忽略。上式（2）是基于物理原理的太陽能電池最基本的解析表達式,已被廣泛應(yīng)用于太陽電池的理論分析中,但由于表達式中的5個參數(shù),包括、和,它們不僅與電池溫度和日射強度有關(guān),而且確定十分困難。因此不便于工程應(yīng)用,也不是太陽電池供應(yīng)商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)。3. 光伏電池仿真模型的建立3.1 工程用光伏電池的數(shù)學(xué)模型 根據(jù)標準參考條件（標準參考日照強度,標準參考電池溫度）下光伏電池的數(shù)學(xué)模型3，

11、光伏電池的I-V方程為： （3）在最大功率點處則 （4） 由于在常溫條件下，可忽略式中的“-1”項，解出： （5）在開路狀態(tài)下，當時,，并把式（5）代入式（3）得： （6）由于，忽略式中的“-1”項，解出： （7） 本文模型只需要輸入光伏電池通常的技術(shù)參數(shù)，就可以根據(jù)式（4），式（6）得出。 又知道光伏電池的I-V特性曲線與光照強度和電池溫度有關(guān)，通常地面的光照強度的變化范圍為，光伏電池的溫度變化較大，可能。根據(jù)標準取為參考光照強度，參考電池溫度。當光照強度及電池溫度，不是參考值時，必須考慮其對光伏電池特性的影響。假設(shè)為在任意光照強度及任意環(huán)境溫度下光伏電池的溫度，則有： （8）一般情況下取。

12、 通過對參考光照強度和參考電池溫度下I-V特性曲線上任意點的移動，得到新的光照強度和新的電池溫度下的I-V特性曲線上任意一點為： （9） （10） （11） （12） （13） 式中：參考光照強度下電流溫度系數(shù)，；：參考光照強度下電壓溫度系數(shù)，；對于單晶硅以及多晶硅光伏電池的實測值為：；。4. 光伏電池的matlab模型根據(jù)上文中的工程數(shù)學(xué)模型的分析建立如下圖3的光伏電池matlab模型5。圖3 Matlab光伏電池模型 本文根據(jù)廠商提供的多晶硅太陽能電池作為參考4采用的光伏板數(shù)據(jù)如表1所示。圖4，圖6分別表示設(shè)定光伏板溫度為不變，在不同光照強度（）對光伏電池I-V特性的影響，對光伏電池P-V

13、特性的影響。圖5，圖7分別表示保持光照強度為不變，不同溫度對光伏電池電壓I-V特性曲線的影響，對光伏電池P-V特性的影響。標準測試條件下最大功率 150W峰值工作電流 4.95A峰值工作電壓 35.2V短路電流 5.2A開路電壓 44.2V電流溫度系數(shù) 6.24mA/電壓溫度系數(shù) 0.221V/串聯(lián)電阻 0.5表1 光伏板仿真參數(shù)5. 仿真曲線及結(jié)果 設(shè)定光伏板溫度為不變，在不同光照強度（）對光伏電池I-V特性的影響。如圖4: 圖4 不同光照（t=45）光伏電池I-V輸出特性 設(shè)定光照強度為不變，不同溫度對光伏電電壓I-V特性曲線的影響。如圖5： 圖5不同溫度（s=1000w/m2）光伏電池I

14、-V輸出特性由圖4可以看出，在同一溫度下，I-V特性曲線會隨著光照強度增加，特性曲線近似整體向上平移，說明短路電流隨光照強度的升高明顯增大，而開路電壓將隨光照強度的升高略有增大。由圖5可以看出，在同一光照強度下隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓向左偏移，說明溫度對開路電壓有明顯的影響，而特性曲線在恒流源線性區(qū)受溫度影響變化不大，隨溫度升高短路電流只是略有增加。設(shè)定光伏板溫度為不變，在不同光照強度（）對光伏電池P-V特性的影響。如圖6:圖6 不同光照（t=45）光伏電池P-V輸出特性設(shè)定光照強度為不變，不同溫度對光伏電池電壓P-V特性曲線的影響。如圖7：圖7 不同溫度（s=1000w/m2）光伏

15、電池P-V輸出特性研究由圖6可看出，在同一光照強度下P-V特性曲線存在一個最大功率輸出點，在該點的左邊區(qū)域，輸出功率隨著輸出端電壓的升高而升高，在該點的右邊輸出功率隨端電壓的升高而降低。在不同光照下，隨著光照強度增加，P-V特性曲線近似整體向上平移。由圖7可以看出，在同一光照強度下，隨著溫度的升高，系統(tǒng)開拓電壓向左平移，說明溫度對特性曲線有明顯的影響，但特性曲線在最大功率點左邊的線性區(qū)受溫度影響變化不大。而且圖6與圖7的變化趨勢很類似，都是在右側(cè)電壓較高區(qū)域內(nèi)，光伏電池可視為一系列不同等級的電壓源，具有明顯的低內(nèi)阻特性；而在左側(cè)電壓較低區(qū)域內(nèi)，光伏電池又視為一系列不同等級的電流源，具有明顯的高

16、內(nèi)阻特性。在溫度不變的條件下，最大功率與光照強度成正比；在光照強度不變的條件下，最大功率點與溫度成反比。另外，由圖4，圖5，圖6和圖7中的四組特性曲線圖還可以看到，除了輸出功率和溫度影響之外，光伏電池的開路電壓，短路電流也會受到光照強度和溫度變化的影響。其中，開路電壓隨溫度升高而明顯降低，短路電流也會受到光照強度的增加而明顯增加。綜上所述，由以上的分析可以看出，光伏電池是一個隨機、穩(wěn)定性不高的供電系統(tǒng)。其輸出特性隨負荷狀態(tài)，光照強度，環(huán)境溫度等因素變化而變化。其短路電流與光照強度幾乎成正比，而溫度變化對開路電壓的影響比較大。因此當影響因素變化時輸出功率的變化也比較大，即最大功率點是時刻變化的。

17、這說明最大功率點不能通過用一個固定電阻或者等效為一個固定電阻來獲得。同時前面已經(jīng)分析出，光伏電池的輸出特性是復(fù)雜的非線性形式，其數(shù)學(xué)模型難以確定，也就無法用解析法來求解最大功率。因此要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能的利用率，獲取最大的輸出功率，必須對最大功率點跟蹤控制。6.光伏系統(tǒng)的多峰特性matlab提供的子系統(tǒng)封裝功能可以大大增強matlab系統(tǒng)模型框圖的可讀性。所以為方便光伏系統(tǒng)的多峰特性整體模型的建立，對上圖光伏電池模型進行封裝如圖8：圖8 Matlab光伏電池模型封裝子系統(tǒng)由于單個光伏電池所產(chǎn)生的能量比較少，需將若干個光伏電池進行串，并聯(lián)。本模型是在研究單個光伏電池模型的基礎(chǔ)上將三個光伏電池

18、進行串聯(lián)，并聯(lián)以探索光照強度（S），溫度（T）對其輸出特性的影響。其串聯(lián)原理圖如圖9，并聯(lián)原理圖如圖10：圖9 串聯(lián)光伏模組原理圖圖10 并聯(lián)光伏模組原理圖 從上文可知，不同溫度下，光伏電池的I-V特性不同。因此串聯(lián)或者并聯(lián)的光伏電池模塊在不同光照下的最大功率點也不相同。并聯(lián)起來的光伏模塊電壓相等，串聯(lián)起來的光伏電池模塊電流相等，這將導(dǎo)致整體的I-V，P-V特性曲線呈現(xiàn)多峰值的形式。以三個光伏電池溫度為例，考慮光照強度的變化對光伏陣列輸出的影響。以為光照強度變化的情況對由三個光伏電池串聯(lián)起來的模塊I-V,P-V特性Matlab仿真如圖12,圖13。三個光伏電池并聯(lián)起來的模塊I-V,P-V特性M

19、atlab仿真如圖13,圖14。圖11 不同光照強度下三個光伏電池串聯(lián)I-V特性圖12 不同光照強度下三個光伏電池的P-V特性 圖13 不同光照下三個光伏電池并聯(lián)I-V特性 圖14 不同光照強度下三個光伏電池并聯(lián)P-V特性 由以上四個圖可以看出，光照強度越大，光伏陣列的短路電流越大，開路電壓略微增大。同時隨著光照強度的增加，特性曲線近似整體向上平移，這和單個光伏電池特性的分析結(jié)果是一致的。最大功率點也有相應(yīng)的變化，并且呈現(xiàn)多峰值的特性。對照圖11，圖13發(fā)現(xiàn)串聯(lián)光伏模組在不同光照強度下I-V輸出多峰特性不明顯，而并聯(lián)光伏模組的I-V輸出多峰特性很明顯。對照圖12，圖14可以看出，串聯(lián)光伏模組與

20、并聯(lián)光伏模組都能呈現(xiàn)明顯的P-V輸出多峰特性。而且兩者相對應(yīng)的最大功率值接近。證明此模型可以考慮光照強度。當有確切的實時光照強度數(shù)據(jù)時可以進行光照強度輸入，使輸出曲線更加精確。 當串聯(lián)或者并聯(lián)的三個光伏電池處于不同的光照強度下，光伏模組的特性將發(fā)生質(zhì)的變化，從圖中可以看出，串聯(lián)模塊或者并聯(lián)模塊的光照不同導(dǎo)致輸出電壓多峰，造成總的輸出功率產(chǎn)生多個極值點。 光伏電池模組的輸出特性受很多因素的影響，單個光伏電池光照強度不一樣對光伏模組的輸出特性包括開路電壓，短路電流和輸出功率都有影響，它如同幾個內(nèi)部特性不同的光伏模組系統(tǒng)在光照強度完全相同的情況下輸出特性的結(jié)合。7. 結(jié)束語 太陽能產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用,從中長期來看,是一項有利于人類可持續(xù)發(fā)展的事業(yè)。作為一個致力于提高全人類生活質(zhì)量的負責任的最大的發(fā)展中國家 ,我國應(yīng)該且有能力為太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢