基于Matlab的光伏电池板的建模与仿真

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【摘要】对光伏电池板的工作原理进行简要分析并给出了其等效电路，建立了光伏池板的数学模型，在matlab/simulink仿真环境下搭建新的光伏池板的仿真模型。基于该新仿真模型模拟了不同太阳光照强度、不同环境温度下的电流―电压（I-V）、功率―电压（P-V）特性曲线。仿真结果与理论上的I-V、P-V曲线完全吻合，证明了新仿真模型的合理性与实用性。对于光伏电池板在现实中的应用具有重要实际意义并对利用恒压法实现光伏电池板的最大功率点跟踪提供理论依据。

【关键词】光伏;电池板;数学模型;仿真

随着人类社会的发展与进步，全球对能源的需求量越来越大，然而石油、煤炭等能源都是非可再生的，并且大量的化石燃料的使用给人类的生存环境造成的巨大的损耗，如全球变暖、环境污染。因此寻求新的清洁能源以代替上述非可再生能源迫在眉睫，近年来，太阳能作为取之不尽，用之不竭且清洁无污染的能源得到了广泛关注与显现了很好的发展前景[1]。光伏电池板是光伏并网系统中关键部件，但是光伏电池板造价昂贵，对太阳光照强度、环境温度、气候条件等外界条件依赖性较强，而光伏池板的I-V、P-V曲线是随着光照强度、环境温度变化并且此变化时非线性的，所以建立光伏池板的数学模型并在matlab/simulink仿真环境下搭建仿真模型，模拟电池板I-V、P-V曲线有重要的实际意义，对于光伏电池板的最大功率点跟踪提供理论依据。

1.光伏电池板的工作原理与等效电路

光伏电池板是利用半导体材料的光伏效应的原理制造的，光伏效应就是半导体在接受光照后，激发出电子空穴对分离从而产生电动势的一种现象。光伏池板是将太阳辐射能转换为电能的器件，当光照射在P-N结时，半导体吸收光能后其内部的原子获得光能后产生电子空穴对，并发生漂移运动而分离，电子进入N区，空穴进入P区，从而在P-N结附近形成电场， N区因电子带负点，P区因空穴带正电。

由光伏池板的工作原理我们可以得出，光伏电池板实际上是一块面积比较的二极管。在光照不变的情况下，光生电流不变，可以看成恒流源。为了方便等效电路的建立，我们做如下等效：用串联电阻Rs等效池板材料呈现的电阻特性（通常为几Ω）、Cj表示PN结本身的电容特性，用Rsh表示电池板的并联电阻（数量级在103Ω），综上所述光伏池板的等效电路如图1.1所示：

图1.1 光伏池板的等效电路

图中，IL为光生电流（恒流源）， I为太阳能电池板输出电流（A），U为电池板的输出电压（V），Id是流过二极管的电流（A），I0为反向饱和电流，Ish为太阳能电池板的漏电流（A）。

2.光伏电池板的数学模型

在图1.1中，可以得出：

（2-1）[3]

式中：n为二极管品质因子（当T=330K时，n=2.8±0.15），K为波尔兹曼常数（K=1.38×J/K）。

我们做如下定义：

在特定的温度与光照强度下，电池板输出的最大电流为短路电流，记为Isc。

在特定的温度与光照强度下，电池板输出的最大电压为开路电压，记为Uoc。

在特定的温度与光照强度下，电池板输出的最大功率点所对应的电压为最大功率点电压，记为Um。

在特定的温度与光照强度下，电池板输出的最大功率点所对应的电流为最大功率点电流，记为Im。

在式1-1中，因为Rsh很大，所以可以忽略最后一项，又因为通常情况下Rs很小，近似的认为Isc=IL。则式2-1可化简为：

（2-2）

其中：

但实际中还要考虑外界温度和光照强度的变化，最终的光伏池板光生电流的计算公式为：

（2-3）

其中：

T为外界实际温度，Tref为参考温度，S为外界实际光照强度，Sref为参考光照强度，a、 b分别为在参考温度与日照强度下的电流变化温度系数与电压变化温度系数[4]。

3.光伏池板仿真模型与仿真结果

根据第二节节数学模型。在matlab/simulink中搭建光伏池板的仿真模型，池板仿真参数如表3.1所示：

表3.1 仿真参数

参数 取值

Voc

Isc

Vm

Im

a

b 21.1V

3.846A

17.1V

3.5A

0.00065

0.0005

光伏池板外部封装与内部仿真模型分别如图3.1、3.2所示：

图3.1 光伏池板的外部封装

图3.2 光伏池板的内部仿真模型

基于上述仿真模型，为了模拟光伏池板在现实中的输出曲线的变化，我们分别对电池板在温度相同而光照强度不同（其中温度T=25℃，光照强度分别取1000W/、800W/、600W/、400W），光照强度相同而温度不同（其中光照强度S=1000W/，温度分别取25℃、35℃、40℃、50℃、）两种条件下进行仿真，仿真得到电池板在两种不同外界条件下的电流-电压（I-V）曲线，功率-电压（P-V）曲线分别如图3.3、3.4所示：

图3.3 相同温度，不同光照强度下的I-V、P-V特性曲线

图3.4 相同光照强度，不同温度下的I-V、P-V特性曲线

由图3.3可以看出，在温度相同的情况下，光照强度越大，池板输出功率越大且短路电流Isc与光照强度成正比，光照强度变化时，池板输出电流变化较大，而池板的开路电压，同时最大功率点电压Um变化不大，这为恒压法实现光伏池板最大功率点追踪提供了理论依据。

由图3.4可以看出，在光照强度相同的条件下，温度升高时光伏池板的最大输出电压Um成下降趋势，输出功率与最大输出电流都有所增加但不是很明显，从而导致温度升高时池板最大输出功率变小。

4.结论

本文通过介绍池板的工作原理得出光伏池板的等效电路，进一步推导出光伏池板光生电流的计算公式，建立了其数学模型。同时在matlab/simulink中建立新的池板仿真模型，模拟池板在外界环境条件变化的情况下的输出电流-电压、功率-电压特性曲线，仿真结果与理论上的I-V、P-V曲线完全吻合，证明了该新型仿真模型的合理性与实用性，对于光伏电池板在现实中的应用具有重要实际意义并对利用恒压法实现光伏电池板的最大功率点跟踪提供理论依据。

参考文献

[1]王长江.基于MATLAB的光伏电池通用数学模型[J].电力科学与工程，2009，25（4）：11-12.

[2]孙园园，肖华锋，谢少军.太阳能电池工程简化模型的参数求取和验证[J].电力电子技术，2009，43（6）：44-45.

[3]邵卫超.基于MATLAB的光伏电池阵列MPPT仿真研究[J].电源技术，2012，36（2）：209-300.

[4]吴忠军，刘国海.硅太阳电池工程用数学模型参数的优化设计[J].电源技术，2007，31（11）：897-901.

[5]廖志凌，阮新波.任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简化数学模型[J].太阳能学报，2009，30（4）：432-423.