基于matalab太阳能光伏电池输出特性建模及仿真

基于Matlab的光伏电池输出特性的建模及仿真摘要：本文根据光伏电池的工程数学模型,依托Matlab/simulink仿真平台建立光伏电池的仿真模型，直接模拟光伏电池工作状况的方法,该仿真模型能准确反映光伏电池的输出特性,而且参数调节方便。文章主要对不同温度变化和日照强度变化条件下光伏电池输出的特性进行了研究,得到了光伏电池输出特性变化的一般规律。数据分析结果表明,光伏电池的输出特性呈非线性。并在此基础上又深入探索了三个温度不同的光伏电池串联或者并联后在不同光照强度下的输出特性。由仿真结果分析出，串联模组或者并联模组的输出呈现多峰的特性。关键词：光伏电池Matlab/simulink输出特性BasedontheMatlabmodelingandsimulationofphotovoltaiccellsoutputcharacteristicsABSTRACT：Inthispaper,basedonengineeringmathematicsmodelofphotovoltaiccells,basedonMatlab/simulinksimulationplatform,asimulationmodelofphotovoltaiccellsisestablisheddirectsimulationmethodofworkingconditionofthephotovoltaiccells,thesimulationmodelcanaccuratelyreflecttheoutputcharacteristicsofphotovoltaiccells,butalsoconvenientforparameteradjustment.Thispaperchangeswithdifferenttemperatureandsunshineintensityundertheconditionofphotovoltaiccellsoutputcharacteristicsarestudied,thephotovoltaicbatteryoutputcharacteristicchangesofgeneralrules.Dataanalysisresultsshowthattheoutputcharacteristicsofphotovoltaiccellsisnonlinear.KEYWORDS:photovoltaiccellsMatlab/simulinkoutputcharacteristic前言：随着世界经济的快速发展，对于能源的需求越来越大。目前世界各国大多仍然以石油、天然气和煤炭等原料作为主要能源，这必将导致能源的日益枯竭与环境污染的日益突出，因此能源的充分利用与环境保护已成为21世纪人类面临的两项重大难题。目前，包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能等在内的可再生能源的发展与应用得到广泛的关注，但是与化石燃料相比，可再生能源具有能量密度低、随着季节、昼夜与气候条件的变化而变化、难于运输等特点。因此要用可再生能源取代化石能源则需解决一系列的科学技术和经济性的问题。而太阳能作为广泛分布的“清洁能源”，有较好的应用前景。目前太阳能利用的基本方式有三种：太阳能热利用、太阳能热发电和太阳能光伏发电。而光伏电池作为太阳能光伏发电的核心部分，其输出特性具有显著的非线性，其光电转换效率迄今为止仍然很低，这些因素都说明对光伏电池输出特性的研究是该行业的一个重要课题[1]。本文在了解了光伏电池原理的基础上在Matlab/simulink的仿真系统中[5]，建立了一种实用性较强的光伏电池模块仿真模型，该模型忽略了一些次要因素的影响，在不同太阳辐射强度和温度下模拟出太阳电池阵列的输出特性，并对仿真结果进行了分析，为后续做最大功率点追踪电路设计奠定了一定基础。1.本课题主要研究内容和意义1.1研究内容1、建立了一组光伏阵列的数学模型，在Matlab/simulink的仿真系统中，建立了一种实用性较强的光伏电池模块仿真模型，该模型忽略了一些次要因素的影响，在不同光照强度和环境温度下模拟出光伏电池的输出特性，并对仿真结果进行了分析，为后续做最大功率点追踪电路设计奠定了一定基础。2、建立光伏电池matlab数值模型，理解光伏电池的输出特性，了解影响光伏电池输出特性的各个环境因素。1.2研究意义1、通过模拟光伏电池输出的I-V曲线，从而能够代替实际的太阳能光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验，并满足易于修改设定的要求的光伏电池模拟器。使光伏实验不再受到场地、自然气候条件等的影响，降低实验成本，节省实验时间。2、建立光伏电池仿真模型，有利于理解光伏阵列的输出特性，了解影响光伏电池输出特性的各个环境因素，并将这些影响因素置入实际使用中，提高光伏电池转换率。2.光伏电池的原理2.1光生伏特效应原理太阳能光伏电池发电的原理主要是半导体的光电效应[2]，即利用光电材料受到光照射后发生光电效应，从而实现能量转换。当太阳光照射到光伏电池上时，电池吸收光能，产生光电子光生空穴对，在电池内电场的作用下，光生电子和光生空穴对被分离，光生电子被推向半导体的N区，光生空穴被推向半导体P区，如此便在P-N结两侧形成了正负电荷的积累，产生了光生电动势，这就是“光电效应”。能产生光电效应的半导体材料有很多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等，这些半导体材料的光电转化原理基本相同。以硅基半导体做成的光伏电池为例：在其内电场的两侧引出导线并接上负载，则电路中就会有电流流过，该电流称为“光生电流”。“光生电流”从半导体的P区经负载流至N区，负载即得到功率输出，这样就完成了将光能转换为电能。由于半导体不是电的良导体，电子在通过P-N结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属阳光就不能通过，电流就不能产生。因此一般用金属网格覆盖P-N结，以增加入射光的面积。图1光生伏特效应原理简图2.2光伏电池等效电路根据电子学理论,太阳电池的等效电路如图2所示。图2光伏电池等效电路用公式[2]表示光伏电池发电状态的电流方程：shdlIIII（1）shSslRIRVAKTIRVqIII1exp0（2）公式中：lI：光生电流，A；dI：流过电流二极管的电流，A；V：输出电压，V；I：输出电流，A；shR：等效并联负载，；sR：等效串联负载，；0I：反向饱和电流，A；q：电子电荷C19106.1；A：二极管因子；K：玻尔兹曼常数KJ/1038.123；其中式（2）中shR的值很大，而sR的值很小。因此在一般分析中为了简化分析过程中可将其忽略。上式（2）是基于物理原理的太阳能电池最基本的解析表达式,已被广泛应用于太阳电池的理论分析中,但由于表达式中的5个参数,包括lI、0I、sR、shR和A,它们不仅与电池温度和日射强度有关,而且确定十分困难。因此不便于工程应用,也不是太阳电池供应商向用户提供的技术参数。3.光伏电池仿真模型的建立3.1工程用光伏电池的数学模型根据标准参考条件（标准参考日照强度2/1000mWSref,标准参考电池温度CTref25）下光伏电池的数学模型[3]，光伏电池的I-V方程为：1exp121ocscVCVCII（3）在最大功率点处mmIIVV,则1exp121ocmscmVCVCII（4）由于在常温条件下1exp2ocmVCV，可忽略式中的“-1”项，解出1C：ocmscmVCVIIC21exp1（5）在开路状态下，当0I时,ocVV，并把式（5）代入式（3）得：11expexp11022CVCVIIIocmscmsc（6）由于11exp2C，忽略式中的“-1”项，解出2C：scmocmIIVVC1ln12（7）本文模型只需要输入光伏电池通常的技术参数mmocscVIVI,,,，就可以根据式（4），式（6）得出21,CC。又知道光伏电池的I-V特性曲线与光照强度和电池温度有关，通常地面的光照强度S的变化范围为2/10000mW，光伏电池的温度变化较大，可能CC7010。根据标准取CTmWSrefref25,/10002为参考光照强度，参考电池温度。当光照强度及电池温度2/mWS，CT不是参考值时，必须考虑其对光伏电池特性的影响。假设T为在任意光照强度S及任意环境温度aT下光伏电池的温度，则有：KSTTa（8）一般情况下取WmCK/03.02。通过对参考光照强度和参考电池温度下I-V特性曲线上任意点IV,的移动，得到新的光照强度和新的电池温度下的I-V特性曲线上任意一点'',IV为：refTTdT（9）screfrefISSdTSSadI1（10）dIRbdTdVs（11）dIII'（12）dVVV'（13）式中：a：参考光照强度下电流温度系数，CA/；b：参考光照强度下电压温度系数，CV/；对于单晶硅以及多晶硅光伏电池的实测值为：)/(012.0CAIasc；)/(005.0CVVboc。4.光伏电池的matlab模型根据上文中的工程数学模型的分析建立如下图3的光伏电池matlab模型[5]。2U11I144.2Voc35.2Vm25Tref1000SrefSaturationSaRamp0.5RProduct6Product5Product4Product3Product2Product1ProducteuMathFunction2lnMathFunction1euMathFunction5.2Isc4.95Im-K-Gain2-1Gain1-K-GainDivide6Divide5Divide4Divide3Divide2Divide1Dividei+-Cu1Constant61Constant51Constant41Constant31Constant21Constant1s-+C2T1S图3Matlab光伏电池模型本文根据厂商提供的多晶硅太阳能电池作为参考[4]采用的光伏板数据如表1所示。图4，图6分别表示设定光伏板温度为C45不变，在不同光照强度（222/1000,/800,/600mWmWmW）对光伏电池I-V特性的影响，对光伏电池P-V特性的影响。图5，图7分别表示保持光照强度为2/1000mW不变，不同温度CCCC45,40,35,30,25对光伏电池电压I-V特性曲线的影响，对光伏电池P-V特性的影响。表1光伏板仿真参数标准测试条件下最大功率150W峰值工作电流4.95A峰值工作电压35.2V短路电流5.2A开路电压44.2V电流温度系数6.24mA/℃电压温度系数0.221V/℃串联电阻0.5Ω5.仿真曲线及结果设定光伏板温度为C45不变，在不同光照强度（222/1000,/800,/600mWmWmW）对光伏电池I-V特性的影响。如图4:图4不同光照（t=45℃）光伏电池I-V输出特性设定光照强度为2/1000mW不变，不同温度CCCC45,40,35,30,25对光伏电电压I-V特性曲线的影响。如图5：图5不同温度（s=1000w/m2）光伏电池I-V输出特性由图4可以看出，在同一温度下，I-V特性曲线会随着光照强度增加，特性曲线近似整体向上平移，说明短路电流scI随光照强度的升高明显增大，而开路电压ocV将随光照强度的升高略有增大。由图5可以看出，在同一光照强度下随着温度的升高，光伏电池的开路电压ocV向左偏移，说明温度对开路电压有明显的影响，而特性曲线在恒流源线性区受温度影响变化不大，随温度升高短路电流scI