基于Matlab／Simulink光伏電池模型的研究

摘要：提出一種以太陽能電池數學模型為基礎，在Matlab／Simulink環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電阻Rs的影響，并進行了太陽能電池輸出特性試驗。理論估算與實際測量結果比較，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，為整個光伏系統進一步研究提供參考價值。
關鍵詞：太陽能電池；數學模型；工程應用；Matlab

0 引言
隨著經濟的發展，人口的增加，化石能源逐步消耗，能源危機問題日益嚴重。在這樣的背景下，太陽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太陽能光伏發電產業的發展。但是，大多數的光伏發電系統都是基于經驗公式進行設計的，為了對整個設計系統進行驗證和優化，有必要研究適用于光伏發電系統工程設計應用的仿真模型。由于太陽能電池陣列是光伏發電系統的核心部件，所以在光伏發電系統中，對太陽能電池陣列仿真模型的研究至關重要。
太陽能電池技術發展很快，目前比較成熟且廣泛應用的是經歸類的太陽能電池。在2009年，全球太陽能電池的產量為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％。國內外太陽能行業都在圍繞提高太陽能電池的光轉換效率和降低成本這兩大目標開展研究工作。太陽能電池通過串并聯組合成光伏陣列使用，但針對單個太陽能電池的模型往往很少，且無法應用于各種仿真和電力工程計算中。目前，多晶硅太陽能電池的實驗室效率已超過17％，前景很好。本模型以數據參考手冊參數為基準，用到了廠商提供的多晶硅太陽能電池標準下的參數。
本文從光伏電池數學模型入手，在Matlab／Simulink的仿真系統中，建立了一種實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，在不同太陽輻射強度和溫度下模擬出太陽電池陣列的輸出特性，并且將仿真模型結果與實際太陽電池陣列的測量結果進行了比較，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值。

1 光伏電池特性
硅太陽能電池的特性可用一個等效電路來描述：

根據圖1中電壓與電流的參考方向，得出普遍使用的太陽能電池通用模型：

式中：I，V為太陽能電池的輸出電流、電壓(單位：A，V)；ns，np為光伏陣列串列和并聯的電池個數；Iph為太陽能電池光生電流，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為無綱量任意曲線的擬合常數，取值在1～5之間；T為太陽能電池絕對溫度(單位：K)；Tr為太陽能電池參考溫度(單位：K)；Irs為太陽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)。