光伏电池建模及其输出特性研究概要

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1、第5期2012年9月电源学报JournalofPowerSupplyNo.5Sep.2012光伏电池建模及其输出特性研究钱念书1，刘阔2，郭建业1，闫星宇3（1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2.河南省电力公司南阳供电公司，河南南阳473013；3.张家口供电公司输变电工程总公司，河北张家口075001）摘要：根据光伏电池的I-V数学函数关系式，在Matlab/Simulink环境下编写M文件，建立光伏电池的仿真模型，并分析局部遮挡现象，从理论上推导局部遮挡环境下的光伏电池模型。该模型可以模拟实际光伏电池在不同的太阳辐射强度、环境温度和局部遮挡情

2、况下的电流、功率输出特性曲线。仿真结果验证了光伏电池的输出特性呈非线性,并随环境温度和日照强度的变化而变化；局部遮挡环境下，光伏电池电流输出呈阶梯型，功率输出呈多波峰。关键词：光伏电池；模型；局部遮挡；仿真；输出特性中图分类号：TM615文献标志码：A文章编号：2095-2805（2012）05-0078-05收稿日期：2012-07-01作者简介：钱念书（1987-），男，东北电力大学电气工程学院研究生，研究方向为：光伏并网发电，E-mail：feiniao-1987@163.com.刘阔，（1979-），男，主要从事电网运行管理工作，E-mail：216943

3、31@qq.com.郭建业，（1987-），男，东北电力大学电气工程学院研究生，研究方向为：光伏并网发电，E-mail：guo1987225@126.com.闫星宇，（1987-），男，主要从事线路架设工作，E-mail：yanxingyu@163.com.引言进入21世纪的人类社会正面临着化石燃料短缺和生态环境严重污染的局面。随着能源消耗的加剧，逐步改变能源消费结构，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已成为世界各国的共识[1]。太阳能是一种洁净的可再生能源，具有取之不尽，用之不竭的特点，是最具有代表性的新能源之一。近十几年来，随着科学技术的不断提高，太阳能

4、光伏发电及相关产业得到了迅猛发展。太阳能光伏电池利用光生伏打效应将太阳能直接转变为电能，其转换成电能的多少受光照强度和环境温度的影响，因此，建立通用的太阳能电池模型，研究光照强度和环境温度对太阳能电池输出特性的影响，是很有必要的。而实际工作中，光伏电池亦受到局部遮挡及受光照不均匀的影响，本文亦对局部阴影下光伏输出的特性进行研究。1光伏电池数学模型太阳能电池是一种通过光生伏打效应而将太阳能光能直接转化为电能的器件，就工作机理而言，它相当于一个半导体光电二极管，当太阳光照射到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能。单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小

5、，一般其输出电压只有0.45~0.5V，将许多个电池串联或并联起来就可以组成有较大输出功率的太阳能电池方阵。目前光伏电池的建模方法主要分为物理建模和仿真建模[2]。物理建模是以理想等效电路为基础，基于光伏组件半导体“光生伏打”及其物理本质建立的，如果采用精确的半导体特性参数建模，该模型的仿真精度很高；但模型中涉及光伏半导体的光生电流、反向暗电流、PN结系数、禁带宽度能量等半导体参数[3-4]，这些参数与电池的电路外特性参数没有对应关系，通过实际测量难以获取，如PN结系数这样的半导体特性参数还与实际产品特性及环境因素有关，通常只有一个模糊的范围。这些因素在很大程度上

6、降低了物理模型的精准度，使得物理模型对实际电池的模拟存在较大局限性，难以在实际工程以及仿真研究中得到充分应用。仿真模型又称行为模型，该方法未对电池物理本质进行描述，而是模拟电池外部特性。建模时根据电池的短路电流及开路电压等实测参数构建出电池输出特性表达式[5-6]，通过物理模型的数学函数来拟合电池输出特性。光伏电池的输出性能受周围环境温度影响较大，需要结合一定的环境修正参数才能精确表述光伏电池的输出特性。本文中用于Matlab建模的简化光伏电池数学模型[7-8]如下：（1）（2）其中：（3）（4）（5）（6）（7）式中：C1，C2为修正系数；G为太阳辐射值；Gre

7、f为光伏接收辐射参考值，Gref=1kW/m2；Tref为光伏电池温度参考值，Tref=25℃；a为短路电流温度系数；b为开路电压温度系数；Isc为短路电流；Voc为开路电压；Im，Vm为最大功率点的电流，电压；Rs为光伏组件的串联电阻，它受光伏阵列组件的串联数和并联数影响，一般只有几欧姆。2光伏电池的建模及仿真基于上述数学模型，本文在Matlab环境下，利用Simulink工具，并结合编写M函数建立仿真模型。M函数编写时，电池参数参照DC01-175型单晶硅光伏组件进行设定，Vm=36.2V，Voc=43.9V，Im=4.85A，Isc=5.30A，a=0.05

8、，b=-0