光伏电池阵列模型的Matlab设计与仿真

余基映，张　腾，谭兴毅

(1.湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)



光伏电池阵列模型的Matlab设计与仿真

余基映1，张腾2*，谭兴毅2

(1.湖北民族学院科技学院，湖北 恩施 445000；2.湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)

摘要：利用Matlab软件平台搭建了光伏电池阵列的仿真电路模型，研究了光照因素、温度因素及光伏电池内部参数对光伏阵列电气特性的影响，并针对动态光照条件下光伏阵列的输出特性进行仿真和计算.研究结果表明：光照强度、温度和串联电阻的变化对光伏阵列开路电压、短路电流、伏安特性、输出功率及最佳工作点具有显著影响，光伏阵列的仿真模型可以较好实现光伏阵列的动态仿真.

关键词：光伏电池阵列；仿真；输出特性

光伏发电技术是基于光伏效应实现太阳能转化为电能的发电方式，目前已被广泛应用于太空卫星、电信基站及偏远山区等领域，并逐步成为解决未来能源危机和生态环境问题的有效途径[1-5].光伏阵列作为电能供应装置是构成光伏系统的核心部件，其输出特性的研究对于提高太阳能利用效率和光伏发电系统输出功率具有关键性作用.利用计算机技术建立光伏阵列仿真模型可以方便地模拟和评估不同光照及温度条件任意排列方式光伏阵列的输出电气特性，具有很好的实用价值和应用前景.Matlab软件因具有高效的计算性能而备受国内外研究者青睐，被广泛应用于光伏系统的设计和性能仿真研究[6-9].目前，普遍采用单二极管等效电路模型来建立光伏电池仿真模型[10-13]，该等效电路模型由线性直流源和单个二极管并联组成，没有考虑半导体耗尽层中因能量激发所产生电子恢复运动[14]，因而欠缺通用性.本文基于双二极管等效电路模型[15]建立光伏电池单体模型，增加的二极管用来等效光伏电池漏电流特性，可以提升仿真效率和计算精度.利用Matlab软件仿真模块simElectronics组件库搭建光伏阵列物理特性的通用仿真模型，该仿真模型以光照强度、环境温度及光伏电池内部参数为输入条件，仿真得到光伏阵列的输出V-I特性和V-P特性.通过模拟变化的光照条件，得到光伏阵列输出电气特性的动态仿真结果.

1光伏阵列模型

双二极管等效电路模型如图1所示，因此，输出电流I满足式(1)，其中Iph为光生电流，Rs、Rp表示光伏电池等效串联电阻、并联电阻，N1、N2代表二极管D1、D2理想因子，Is1、Is2代表二极管D1、D2反向饱和电流，Vt表示光伏电池热电压，满足：Vt=kT/q，k为波尔兹曼常量，q为元电荷，T为光伏电池温度.

图1　光伏电池双二极管等效电路模型Fig.1　Two diode of photovoltaic cell

(1)

在Matlab/Simulink环境下搭建光伏阵列仿真模型如图2所示，光伏阵列由36块光伏电池单体组成，图3给出了光伏阵列子系统中各模块连接方式.光伏阵列由6个光伏组件构成，每个光伏组件由6个光伏电池串联而成，光伏阵列的光照条件参数由SignalBuilder模拟产生，光伏电池单体模型基于双二极管等效电路模型建立，仿真计算过程采用变步长Ode45(Dormand-Prince)算法，仿真运行速度快.

图2　光伏阵列仿真模型 图3　光伏阵列子系统连接拓扑结构　　　Fig.2　Simulink modelfor photovoltaic array Fig.3　Connection ofphotovoltaic cells in photovoltaic array

Is1/AIs2/AN1N2Rs/WRp/W10-610-71.52.00.011000

表2　不同光照条件下光伏阵列输出特性参数(T=25℃)

表3　不同温度条件下光伏阵列输出特性参数(Ir =1 kW/m2)

2仿真结果与讨论

2.1光伏阵列光照及温度特性仿真

设定光伏电池仿真参数如表1所示，在环境温度为25℃条件下，改变光照强度Ir值分别为0.25、0.75和1.25 kW/m2得到光伏阵列V-I和V-P特性曲线如图4所示，表2列出光伏阵列不同光照强度时开路电压Voc、短路电流Isc及最大输出功率Pm等参数.由图4可以看出，随着光强增大，短路电流Isc和开路电压Voc增大，光伏阵列输出电流与输出功率显著上升，这是由于光强增加有利于提高光伏电池内部载流子迁移率及光子吸收系数[16]，从而提升光伏阵列转换效率.固定光照强度值为1 kW/m2，得到温度T分别为15℃、25℃和35℃时光伏阵列V-I和V-P特性曲线如图5所示，表3列出了不同温度时光伏阵列的输出特性参数.由图5可得，不同温度下光伏阵列短路电流Isc基本不变，可见光生电流受温度因素影响较小.随着温度升高，光伏阵列输出电流与输出功率明显下降，其中开路电压Voc和最大输出功率Pm同时减小，该仿真结果与文献[17]中光伏电池温度特性的实验研究结果基本一致.

从不同条件下的仿真结果可以看出，光照强度和温度与光伏阵列的输出电气特性密切相关，随着光强和温度的变化，最大功率点(Um，Pm)发生明显改变.由表3和表4仿真数据结果可见，光强值变化量为500 W时，最佳工作电压Um值平均变化幅度约为0.19 V，温度变化量为10℃时，最佳工作电压Um值变化平均幅度约为1.33 V，可见，温度改变对最佳工作点(Um，Im)影响较大.该仿真结果可应用于光伏系统中最佳工作点跟踪技术[18-20]，实际光伏系统中可根据外部环境变化来实时调整光伏阵列工作点以满足负载需求.

图4　不同光照条件下光伏阵列输出V-I和V-P曲线 图5　不同温度条件下光伏阵列输出V-I和V-P曲线

RsIsc/AVoc/VUm/VIm/APm/W0.019.1822.1916.328.08132.070.0259.1722.1713.047.5398.210.059.0422.1311.675.2160.8

图6　不同Rs值条件下光伏阵列输出V-I和V-P曲线Fig.6　Photovoltaic array V-I and V-P curves for different Rs

2.2串联电阻对光伏阵列输出特性的影响

按照表1设定的仿真参数，改变光伏电池组件串联电阻Rs大小依次为：0.01、0.025和0.05时，光伏阵列输出特性参数、V-I特性及V-P特性曲线分别如表4和图6所示，可见，光伏电池串联电阻影响光伏阵列输出伏安特性和输出功率.从仿真结果可以看出，串联电阻增大时光伏阵列输出电流和输出功率降低，且伏安特性曲线由非线性关系变为线性关系，短路电流Is值呈现减小趋势，开路电压Voc基本不变，最佳工作点(Um，Im)位置变化明显，最大输出功率Pm随串联电阻减小而增大.因此，针对光伏电池的生产工艺而言，较低的串联电阻更有利于提升光伏阵列的输出功率和光伏转换效率[21].

2.3光伏阵列动态仿真

3结语

通过搭建光伏电池阵列的Matlab通用仿真电路模型，得到了不同条件下光伏阵列的输出电气参数，研究了光伏阵列的光照特性和温度特性，并对光伏阵列进行了动态模拟仿真.研究结果表明：光伏阵列的输出电流、输出功率与光照强度呈正相关，与温度呈负相关.短路电流和开路电压随光照强度增强而增大，温度的变化对光伏阵列短路电流无明显影响，开路电压随温度升高而减小，温度和串联电阻对光伏阵列最佳工作点影响较为显著.光伏阵列的Matlab仿真模型仿真速度快，输出特性与实际光伏阵列特性基本一致，能够动态模拟仿真外部光照条件变化时光伏阵列输出的电气特性，可为实际光伏系统的理论研究和工程应用提供平台.

图7　光伏阵列动态仿真结果Fig.7　Dynamic simulation results of photovoltaic array

参考文献:

[1]Parida B,Iniyan S,Goic R.A review of solar photovoltaic technologies[J].Renew Sust Energ Rev,2011,15(3):1625-1636.

[2]Singh G K.Solar power generation by PV (photovoltaic) technology:a review[J].Energy,2013,53:1-13.

[3]李长山，赵鹤平，肖立娟，等.缓冲层对A20藻膜的性能影响[J].吉首大学学报(自然科学版),2013,34(3):31-34.

[4]张浩，王磊，董洁雯，等.铜掺杂纳米氧化锌薄膜的制备及光学特性[J].苏州科技学院学报(自然科学版),2013,30(4):39-42.

[5]钟志有,张腾,汪浩.应用于太阳能电池的AZO透明导电薄膜光学性质研究[J].中南民族大学学报(自然科学版),2012,31(3):64-69.

[6]周德佳,赵争鸣,吴理博,等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(7):1109-1112.

[7]Nema S,Nema R K,Agnihotri G.MATLAB/Simulink based study of photovoltaic cells/modules/array and their experimental verification[J].Int J Energ Environ,2010,1(3):487-500.

[8]Said S,Massoud A,Benammar M,et al.A Matlab/Simulink based photovoltaic array model employing SimPowerSystems toolbox[J].J Energ Power Eng,2012,6(12):1965-1975.

[9]Rustemli S,Dincer F.Modeling of Photovoltaic Panel and Examining Effects of Temperature in Matlab/Simulink[J].Electron and Electr Eng,2011,109(3):35-40.

[10]Varshney A,Tariq A.Simulink Model of Solar Array for Photovoltaic Power Generation System[J].Int J Electron Electr Eng,2014,7(2):115-122.

[11]Murayama M,Mori T.Evaluation of treatment effects for high-performance dye-sensitized solar cells using equivalent circuit analysis[J].Thin Solid Films,2006,509(1/2):123-126.

[12]Kyaw H H,Bora T,Dutta J.One-Diode Model Equivalent Circuit Analysis for ZnO Nanorod-Based Dye-Sensitized Solar Cells:Effects of Annealing and Active Area[J].IEEE T NanoTechnol, 2012, 11(4): 763-767.

[13]Villalva M G,Gazoli J R.Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2009,24(5):1198-1208.

[14]张俊红，魏学业，祝天龙.光伏阵列建模和仿真特性研究[J].计算机仿真,2014,31(3):134-138.

[15]Ishaque K,Salam Z,Taheri H.Accurate MATLAB simulink PV system simulator based on a two-diode model[J].J Power Electron,2011,11(2):179-187.

[16]Shukla A,Khare M,Shukla K N.Modeling and Simulation of Solar PV Module on MATLAB/Simulink[J].Sol energy,2015,4(1):18516-18525.

[17]孙鑫,王文静,李兴元.温度对太阳能电池特性的影响[J].实验室科学,2013,16(4):21-23.

[18]Arthishri K,Balasubramanian R,Kathirvelu P,et al.Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Generation System using Artificial Neural Network with Improved Tracking Factor[J].J Appl S,2014,14(16):1858.

[19]Shiau J K,Lee M Y,Wei Y C,et al.Circuit Simulation for Solar Power Maximum Power Point Tracking with Different Buck-Boost Converter Topologies[J].Energies,2014,7(8):5027-5046.

[20]骆力.光伏电池的MPPT技术研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2014,32(1):108-112.

[21]Salmi T,Bouzguenda M,Gastli A,et al.Matlab/simulink based modeling of photovoltaic cell[J].Int J Renew Energ Res,2012,2(2):213-218.

责任编辑：时凌

Design and Simulation of Photovoltaic Array Model Based on Matlab

YU Jiying1,ZHANG Teng2,TAN Xingyi2

(1.School of Science and Technology,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China;2.School of Science,Hubei University for Nationalities,Enshi 445000,China)

Abstract：A circuit simulation model of photovoltaic array was developed based on Matlab/Simulink software, the effects of solar insolation, temperature and photovoltaic cell parameters on electrical behavior of photovoltaic array were analyzed, and the output characteristics of photovoltaic array under dynamic irradiance condition were simulated and calculated. The simulation results indicated that irradiance, temperature and series resistor have significant impact on open-curcuit voltage, short-circuit current, volt-ampere characteristic, output power and optimum working point of photovoltaic array. The developed model is capable of accomplishing dynamic simulation of photovoltaic array.

Key words：photovoltaic array; simulink; output characteristic

收稿日期：2015-11-26.

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2014CFB342).

作者简介：余基映(1987- ),女,硕士,主要从事并行计算的研究；*通信作者：张腾(1987- ), 男, 硕士, 主要从事光电材料与器件的研究.

文章编号：1008-8423(2016)01-0064-04

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.017

中图分类号：TM914

文献标志码：A