基于Matlab／Simulink的光伏電池仿真模型研究

摘要：介紹一種以輸出特性為基礎的光伏電池數學模型，該模型通過光伏電池的4個標準性能參數擬合出電池輸出特性，它能模擬光伏陣列在任意太陽輻射強度、環境溫度下的輸出特性。最后，在Matlab／Simulink環境下建立光伏電池的仿真模型，將仿真結果與實測結果進行對比，驗證該模型的準確性。
關鍵詞：光伏電池；輸出特性；Matlab／Simulink；數學模型

隨著低碳經濟和低碳技術的發展，太陽能作為一種潔凈可再生能源已成為各國研究的熱點，各國政府也相繼出臺各類政策支持太陽能光伏產業的研究和發展。然而，由于其較高的研發費用和受實際環境因素限制，使太陽能光伏技術的發展遠不能滿足社會發展需求。所以實驗室仿真分析成為光伏電池設計與研究的有效手段。本文在Matlah／Simulink的仿真系統中，基于光伏電池輸出特性的基礎上對光伏電池進行建模，仿真結果表明，該數學模型的輸出特性與實際太陽能電池板輸出特性非常接近，驗證了設計的正確性。

1 光伏電池實用仿真數學模型
光伏電池是利用半導體材料的光伏效應制成的，所謂的光伏效應是指半導體材料吸收光能后產生電動勢的現象。所以光伏電池本身是一個P—N結，基本特性與二極管類似，其等效電路由光生電流源和一些電阻組成。仿真模型的特點是采用簡單且易獲取的參數擬合出光伏電池的輸出特性，適用于對電池外部特性進行的仿真研究。根據光伏電池的V-I特性曲線可以得到基本輸出特性公式：

式中：U、I為電池輸出電壓和電流；C1，C2為修正系數。
上述數學模型還與實際環境存在一定偏差，所以應該進行修正。采用性能參數修正法建立的數學模型，在環境條件變化時，如溫度，光照強度等因素，可以對光伏電池的4個性能參數進行修正，得到接近實際環境下的光伏電池實用模型，修正系數如下所示：

式中：a和c為溫度補償系數，b為光強補償系數。

從上面公式得到的光伏電池實用仿真模型不需要復雜的參數，只需要4個基本性能參數就模擬光伏電池輸出特性。利用Matlah對上述光伏電池模型進行仿真，以式(1)為數學模型基礎，在simulik里建立仿真模型。圖1為光伏電池數學模型內部結構，圖2為該模型的封裝模塊，并在內封裝Um，Uoc，Im，Isc以及Tref，Sref參數，太陽能電池模型參數設置圖3所示。其中V，I為模型實際電壓和電流，S，T分別為實際日照強度和環境溫度。