基于Matlab/Simulink的光伏电池通用数学模型与仿真

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基于Matlab/Simulink的光伏电池通用数学模型与仿真

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【文章摘要】

【关键词】

光伏电池；Matlab/Simulink仿真；特性曲线

引言

随着经济的发展和社会的进步，能源需求日益增长，常规能源越来越供不应求。同时，常规能源的大量使用造成了世界范围内的环境污染和生态恶化，因此新能源的开发和应用成为当今世界发展的必然趋势。太阳能是一种十分具有潜力的新能源，光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一［1］。由于光伏电池将太阳能转化为电能的效率受光照强度和环境温度的影响。因此，建立通用的光伏电池模型，研究光照强度和环境温度对光伏电池输出特性的影响是很有必要的。

1.光伏电池数学模型

由太阳能光伏电池等效电路可得出公式：

由以上公式可得光伏电池输出电流的表达式为：

2.光伏电池Matlab/Simulink通用模型仿真

基于上述数学模型，本文在Matlab环境下，利用Simulink工具建立了一个光伏电池通用仿真模型，该模型仅需采用光伏电池厂家提供的光伏电池在标准测试条件（STC）下测出的参数，通过引入响应系数来考虑环境的影响，可以模拟各种实际光伏电池产品在不同太阳辐射强度、环境温度下的P-V特性曲线和Ι-V特性曲线［4］。

对上述模型进行封装如图1所示，Te为环境温度，S为光照强度，V为温度光照强度光伏电池的工作电压，双击模型，可对此进行参数设置，在参数对话框中输入光伏电池标准测试条件下的参数即可得到在不同环境下的输出特性曲线。

图1　光伏电池仿真模型的封装

从仿真结果可以看出，光照强度对光伏电池的短路电流有影响，当光照强度增加时，短路电流增加，最大功率点有所提高；工作的环境温度对光伏电池的开路电压有影响，当温度升高时，开路电压会降低，但其短路电流却几乎不变，输出功率略微下降。这符合光伏电池的输出特性，可以充分说明利用该数学模型模拟实际光伏电池的输出特性以及光照强度、温度对输出特性的影响是有效的。

3.结论

光伏电池是一个非线性电源，其输出量与光照强度和环境温度等因素有着密切的关系。通常光伏电池的模型是以光伏电池的等效电路为基础，基于器件的半导体特性及物理特性建立的［5］，这些模型都需要已知一些特定的参数，如串联电阻等，一般厂家不提供这些参数，不便于分析研究。而本文研究的模型仅采用光伏电池厂家提供的光伏电池在标准测试条件（STC）下测出的参数，就可以模拟各种实际光伏电池产品在不同太阳辐射强度、环境温度下的输出特性，方便工程应用，具有很好的实用性［6］。

图2　不同光照强度下的P-V特性曲线

【参考文献】

［1］吴海涛，孔娟，夏东伟.基于MATLAB/ Simulink的光伏电池建模与仿真［J］.青岛大学学报，2006.12，21（4）：74-77.

［2］陈玉鸣，张寅孩.基于MATLAB的光伏模块通用仿真模型［J］.工业控制计算机，2012，25（3）:30-31.

［3］王长江.基于MATLAB的光伏通用数学模型［J］.电力科学与工程，2009.4，25 （4）：11-14.

［4］王琴，姜丰，钟清瑶.光伏电池建模及其输出特性仿真［J］.低压电器，2011，（10）：10-12.

［5］BALTAS P.The Arizona university photovoltaic designer program （ASUPVD）［S］.Department of Electrical and Computer Engineering，Arizona State University，1996.

［6］范发靖，袁晓玲.基于MATLAB的光伏电池建模方法的比较［J］.机械制造与自动化，2012.4，41（2）：157-159，163.

根据光伏电池的数学模型，在Matlab/ Simulink仿真环境下，建立了光伏电池模块的通用仿真模型。该模型仅需采用光伏电池厂家提供的光伏电池在标准测试条件（STC）下测出的参数，通过引入响应系数来考虑环境的影响，可以模拟各种实际光伏电池产品在不同太阳辐射强度、环境温度下的P-V特性曲线和I-V特性曲线，具有很好的实用性，可以满足工程项目进行物理模拟的精度要求。