基于MATLAB/SIMULINK的光伏电池建模与仿真分析

冷 淼，徐 婷（长春工业大学 电气与电子工程学院，长春 130012）

基于MATLAB/SIMULINK的光伏电池建模与仿真分析

冷 淼，徐 婷
（长春工业大学 电气与电子工程学院，长春 130012）

太阳能作为新能源的典型代表，越来越受到人们的重视。光伏电池是光伏发电系统中的关键部件，针对光伏电池输出特性非线性化的特征，分析了光伏电池的工作原理，利用MATLAB/SIMULINK对其进行了建模与仿真，仿真结果验证了模型的正确性。

光伏电池；MATLAB/SIMULINK仿真；输出特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.216

1　引言

一次能源的日益枯竭及由一次能源使用所带来的环境污染问题日益严重，这加快了人们对二次能源的开发与利用，光伏发电被广泛认为是清洁、安全、可靠、技术相对成熟的技术，因此近几年来光伏发电成为研究的热点问题［1-3］。本文根据光伏电池的工作原理，建立了其数学模型，并基于MATLAB/SIMULINK仿真平台进行了仿真，对不同光照强强度、环境温度下的光伏电池输出特性进行了分析。

2　光伏电池的数学模型及输出特性

2.1光伏电池的数学模型

光伏电池是一种利用光伏效应将光能转化为电能的元器件。光伏电池通常是由硅半导体材料构成的，当半导体PN结被光照时，会形成新的空穴电子对。在半导体硅的内部电场作用下，N型区的空穴流向P型区，P型区的电子流向N型区，故在光伏电池的两端产生电压。光伏电池单体可等效为如图1所示的电路模型［4］。

图1　光伏电池等效电路模型

根据图1，由基尔霍夫定律KCL、KVL可得光伏电池的输出电流I：

式中：Iph为光子激发的电流，A；Io为无光照时二极管的反向饱和电流，A；q为电子的电荷量，q=1.6×1019C；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；A为二极管特性特性因子，取值在1～2之间；T为环境温度，T=（t+273）K；Rs为光伏电池的等效内部电阻，；Rsh为光伏电池的等效旁路电阻，

对于普通的光伏电池，Rsh的值很大，Rs值很小，而Rs对发电效率影响更大，故在理想状态下常常忽略Rsh，于是（1）式可简化为：

从（2）式可以看出影响光伏电池实际输出功率大小的因素主要是光照强度S、环境温度T以及负载阻抗。设光伏电池在标准测试条件下（S=1000W/m2，T=25°C）的开路电压为Voc，短路电流为Isc，最大功率点电压为Vm，最大功率点电流为Im，结合工程实际，光伏电池的输出特性方程可表示为：

其中：

根据式（3）～（5）知通过光伏电池生产厂商提供的Voc、Isc、Vm、Im四个参数，就能知晓光伏电池的输出特性。本文所采用的光伏电池在标准测试条件下的技术参数为：Voc=22V，Isc=8.58A，Vm=17.7V，Im=7.94A，Pm=140.5W。在实际使用时由于环境的不断变化，需要对参数进行一定补偿，设补偿后光伏电池的开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流分别为V′oc、I′sc、V′m、I′m，可以得到：

对于单晶硅光伏电池，工程上a、b、c的典型取值分别为0.0025℃-1、0.5m2/W、0.00288℃-1。

2.2光伏电池的输出特性

基于上述光伏电池的数学模型，利用MATLAB/SIMULINK仿真平台，搭建了如图2所示的光伏电池仿真模型。

图2　光伏电池基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型

将上述子系统进行模型封装后，设置参数仿真参数，模拟外界环境不同时，光伏电池的输出特性，仿真结果分别如图3（a）、3（b）、3（c）、3（d）所示。

图3　光伏电池的输出特性

2.3仿真结果分析

观察图3可以得出光伏电池的输出功率与输出电流之间呈现强烈的非线性，光照强度主要影响短路电流的大小。相同温度下，光照强度越强则短路电流就越大，输出功率也就越大；环境温度主要影响开路电压的大小，光照强度相同时，温度越高则开路电压就越小，输出功率也就越小，而且不管外界环境如何变化，光伏电池总存在唯一的最大功率点。

3　结论

本文分析了光伏电池的工作原理，基于此建立了其数学模型，并在MATLAB/SIMUNLINK仿真软件中进行了仿真，得出了不同环境下光伏电池的输出特性曲线，仿真结果表明光伏电池的输出特性呈强非线性，并且每条曲线有唯一的最大功率点。因此采用一定的控制手段能够使光伏电池输出最大功率，最大限度地利用太阳能。

［1］丁明，王伟胜，王秀丽等.大规模光伏发电对电力系统影响综述［J］.中国电机工程学报，2014，34（01）：1-14.

［2］苏剑，周莉梅，李蕊.分布式光伏发电并网的成本/效益分析［J］.中国电机工程学报，2013，33（34）：50-56.

［3］徐彭涛，赵巧娥，张强等.基于中值观测的自适应变步长MPPT算法研究［J］.现代电子技术，2014，37（22）：150-152.

［4］郭爽，王丰贵.实用光伏电池建模及MPPT算法仿真［J］.现代电子技术，2014，37（08）：148-150.

冷淼（1991-），男，湖北云梦人，硕士研究生，主要从事新能源发电及电气节能研究。