基于Matlab／Simulink光伏電池模型的研究

摘要：提出一種以太陽(yáng)能電池數學(xué)模型為基礎，在Matlab／Simulink環(huán)境下建立的光伏電池仿真模型。與其他常用建模方法相比，該模型結構簡(jiǎn)化，易于操作，能更好地描述光伏陣列的電氣特性。該模型還考慮了在任意光強和溫度下串聯(lián)電阻Rs的影響，并進(jìn)行了太陽(yáng)能電池輸出特性試驗。理論估算與實(shí)際測量結果比較，兩者誤差在工程應用允許的精度6％內，與傳統方法相比，精度有所提高，為整個(gè)光伏系統進(jìn)一步研究提供參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；數學(xué)模型；工程應用；Matlab

0 引言
隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，化石能源逐步消耗，能源危機問(wèn)題日益嚴重。在這樣的背景下，太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國政府正在逐步推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，大多數的光伏發(fā)電系統都是基于經(jīng)驗公式進(jìn)行設計的，為了對整個(gè)設計系統進(jìn)行驗證和優(yōu)化，有必要研究適用于光伏發(fā)電系統工程設計應用的仿真模型。由于太陽(yáng)能電池陣列是光伏發(fā)電系統的核心部件，所以在光伏發(fā)電系統中，對太陽(yáng)能電池陣列仿真模型的研究至關(guān)重要。
太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展很快，目前比較成熟且廣泛應用的是經(jīng)歸類(lèi)的太陽(yáng)能電池。在2009年，全球太陽(yáng)能電池的產(chǎn)量為1 0231MWp，到2011年預計達到1．5 GWp，比2010年增加50％。其中，單晶硅電池占43．86％，多晶硅電池占46．62％，薄膜電池占9．52％。國內外太陽(yáng)能行業(yè)都在圍繞提高太陽(yáng)能電池的光轉換效率和降低成本這兩大目標開(kāi)展研究工作。太陽(yáng)能電池通過(guò)串并聯(lián)組合成光伏陣列使用，但針對單個(gè)太陽(yáng)能電池的模型往往很少，且無(wú)法應用于各種仿真和電力工程計算中。目前，多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗室效率已超過(guò)17％，前景很好。本模型以數據參考手冊參數為基準，用到了廠(chǎng)商提供的多晶硅太陽(yáng)能電池標準下的參數。
本文從光伏電池數學(xué)模型入手，在Matlab／Simulink的仿真系統中，建立了一種實(shí)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(yáng)輻射強度和溫度下模擬出太陽(yáng)電池陣列的輸出特性，并且將仿真模型結果與實(shí)際太陽(yáng)電池陣列的測量結果進(jìn)行了比較，工程應用精度在誤差允許范圍內，為光伏系統研究提供了極大的參考價(jià)值。

1 光伏電池特性
硅太陽(yáng)能電池的特性可用一個(gè)等效電路來(lái)描述：

根據圖1中電壓與電流的參考方向，得出普遍使用的太陽(yáng)能電池通用模型：

式中：I，V為太陽(yáng)能電池的輸出電流、電壓(單位：A，V)；ns，np為光伏陣列串列和并聯(lián)的電池個(gè)數；Iph為太陽(yáng)能電池光生電流，單位為A；Isc為短路電流，單位為A；q為電子電量(1．6×10-19C)；k為波爾茲曼常數(1．38×10-23J／K)；A為無(wú)綱量任意曲線(xiàn)的擬合常數，取值在1～5之間；T為太陽(yáng)能電池絕對溫度(單位：K)；Tr為太陽(yáng)能電池參考溫度(單位：K)；Irs為太陽(yáng)能電池陣列反向飽和電流(單位：A)；Irr為二極管反向飽和電流(單位：A)；EG為硅的禁帶寬度；k1為短路電流溫度系數；S為光照強度(單位：W／m2)。