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第 25 卷第 4 期 2009 年 4 月
电
力
科
学
与
工
夜焰程
Vol.25, No.4 Apr., 2009 11
Electric Power Science and Engineering
王长江
（华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206） 摘要：针对光伏电池输出特性具有强烈的非线性，根据太阳能电池的直流物理模型，利用 MATLAB 建立 了太阳能光伏阵列通用的仿真模型。利用此模型，模拟任意环境、太阳辐射强度、电池板参数、电池板串 并联方式下的光伏阵列 I-V 特性。模型内部参数经过优化，较好地反应了电池实际特性。模型带有最大功 率点跟踪功能，能很好地实现光伏发电系统最佳工作点的跟踪。 关键词：光伏电池；MPPT；I-V 特性 中图分类号：TM615 文献标识码：A 0
引
言
1
光伏电池特性
随着化石能源的消耗，全球都在面临能源危 机， 太阳能依靠其清洁、 分布广泛等特点成为当今 发展速度居第二位的能源 [1] 。 光伏阵列由多个单体太阳能电池进行串并联封 装而成，是光伏发电的能源供给中心，其 I V 特 性曲线随日照强度和太阳能电池温度变化，即 I=f ( V, S, T ) 。目前而厂家通常仅为用户提供标准测 试的短路电流 I sc 、开路电压 Voc、最大功率点电流 I m 、最大功率点电压 V m 值，所以如何根据已有的 标准测试数据来仿真光伏阵列在不同日照、 温度下 的 I V，P V 特性曲线，在光伏发电系统分析研 究中显得至关重要 [2] 。 文献 [ 3~4 ] 介绍了一些光伏发电相关的仿真 模型， 但这些模型都需要已知一些特定参数， 使得 分析研究有一些困难。文献 [ 5 ] 介绍了经优化的 光伏电池模型，但不能任意改变原始参数。文献 [ 6 ] 给出了光伏电池的原理模型，但参数选用典型 值，会造成较大的误差。 本文考虑工程应用因素， 基于太阳能电池的物 理模型， 建立了适用于任何条件下的工程用光伏电 池仿真模型。 1.1 光伏电池理论模型 太阳能电池等效电路如图 1 所示
[7]
。
ph
s
o
sh
图1
太阳能电池等效电路
=
ph
o
exp
+
s
1
无人机管控+
sh
s
(1)
式中 Iph 为光伏阵列电流；Io 为反向饱和电流；q 为 电子电荷 (1.6×1 019 C） 为二极管因子；K 为玻 ；n 23 耳兹曼常数 (1.38×10 J/K)； Rs 为串联电阻；Rsh 为并联电阻。 日照 强 度 为 1 kW/m 2 ，0.75 kW/m 2 ，0.5 kW/m2 ，温度为 25 ℃时， 特性曲线如图 2 所 示，由图中可以看出，光伏电池的 特性为非 线性的， 曲线左侧类似于电流源曲线， 右侧类
似于 电压源曲线。 以上是光伏电池的理论模型，已经广泛应用于
收稿日期：2009 02 01. 作者简介：王长江 (1983 －), 男, 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生.
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东邪西毒2011与
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程
2009 年
=1 kW/m2
pv
m_new
=
m
1
1+
( 10 )
=0.75 kW/m2 =0.5 kW/m
2
式中系数 a, c 采用典型值 [4]： a=0.002 5/℃； c=0.002 88/℃。 系数 b 采用优化后的参数值 [3]：
pv
b= 0.194 9+7.056× 10 4× S 设 T E 为任意的环境温度，则光伏电池板温度 T 为： =
E
图2
太阳能电池 I V 特性曲线
太阳能电池的理论分析中，但式 ( 1) 中参数 Iph，I o， Rs，Rsh 和 n 难以确定，且不是厂家提供的技术参 数，不便于工程的分析应用。 1.2 光伏电池工程模型 厂家提供标准条件（日照强度 S B =1 kW/m 2， 电池温度 TB =25℃）下电池板的测试参数 I sc , Voc, I m , V m，为建立工程用模型，在式 ( 1 ) 的基础上做 两个近似 [8] ： ( 1 ) 由于 Rsh 非常大， 所以忽略 ( V+R s I ) /Rsh 项。 ( 2 ) R s 远小于二极管正向导通电阻，所以假设 I sc=I ph 。 基于以上假设，光伏电池 I V 方程简化为： =
sc 1 sc
+
( 11 )
式中 K 据试验测得大量数据取为 0.03 ℃m2/W。
2
最大功率点跟踪 (MPPT) 模型
exp
/
2
oc
1
（2）
光伏阵列 I V 特性是非线性的，所以存在一 个点， 能使得光伏阵列输出功率最大，使得光伏发 电系统的能量转换效率最高。最大功率点跟踪 ( MPPT ) 已经成为国内外的研究热点 [9~10] 。 2.1 方法 1 由任意时刻光伏电池的输出电流、 输出电压求 解。 光复阵列在任意日照强度和环境温度下的功率 为： = =
sc
最大功率点时 1
1
exp
/
2
oc
1
( 12 )
exp
m
/
2
oc
1 exp
m
/
2
oc
在最大功率点处由极值条件 dP/dV=0 得：
sc
可解 C 1, C 2 得：
1
1
1
exp
sc
/
2 1
oc
1 /
1 2 oc 2 oc
= 1 =
m
m
/
sc
exp 1 ln 1
m
/
m
2
oc
（3）
1
exp
=0 ( 13 )
2
/
oc
/
sc
（4）
当日照强度和电池温度均有变化时， 重新计算 I sc_new, Voc_new, I m_new, Vm_new ，然后求出 C 1_new, C 2_new, 即可得新的 I V 特性曲线： =
B
上式为一个超越方程， 可由迭代法解出对应的 最大功率点电压 ，代入式 ( 2 ) 即可求得 ，最 大输出功率为：
max
=
m
m
( 14 ) 。
1
B
（5） （6） 1+ （7） （8） （9）
=
oc_new
2.2 方法 2 利用日照强度和电池温度变化量来求 如式 ( 9 )
、 ( 10 ) 所示，相乘即可得：
max
,贝壳董事长
=
oc
1
sc B
=
m
m
sc_new
= =
酒店管理系统论文
1+ 1+
B
m_new
m
方法 1 是基于系统的实际输出量求得的最大功 率解， 通过设定误差限可求得较精确的解， 但迭代 求解比较复杂，花费时间较长，且 C1, C2 取为定 值，有微小的误差；方法 2 是基于日照强度和电池 温度变化量的方法来求解的，实现简单， 但计算过 程中的定值参数较多，相应的截断误差也稍大。工
第4期
王长江
基于 MATLAB 的光伏电池通用数学模型
13
程应用允许相对误差为 6%， 方法 2 完全能够满足。 所以采用方法 2 建立 MPPT 模型。
Pm/kW 120
3
通用 MATLAB 仿真模型
80 40
基于以上的数学模型，在 MATLAB/SIMULINK [11] 下建立光伏电池的仿真模块，封装后如 图 3 所示。内部封装参数有 , , ，其输入参数 有：S, S B , T, T B , I sc , V oc , I m, V m。输出端有 I o , V + , V , P m 。P m 输出为系统最大功率点的跟踪输 出端，显示最大功率输出的变化情况。
S_in Sref_in Isc Voc Im Vm T_in Tref_in VoVo+ Pm Io I/A
0 0 2 4 V / (b) Pm V 曲线 8 6 8 10
6
4
2
0
2
4 6 S/ (kW 2) m (c) I S 曲线
8
10
图3
光伏电池仿真模型
6
电池板标准参数选用 Isc=3.8 A， oc=21.5 V， =3.6 V Im A， m=17 V。控制电池板输出电压 Vo ， o 从 0 增 V 当 加到 Voc 时， 输出电流 I o 波形如图 4 ( a )所示， 最大功 ( b )所示； 率点的变化曲线如图 4 控制日照强度 ， 在 2 s 和 6 s 发生阶跃变化时， 输出电流 I o 波形如图 4 ( c ) 所示； 控制电池温度 T 在 2 s 和 6 s 发生阶跃变 (温度先升高在降低) ， 化 输出电流 I o 波形如图 4 ( d ) 所示。 由仿
真波形可以看出，I V 曲线为非线性的， 能较好地反应真实曲线， 最大功率输出可以很好地 跟踪日照强度的变化。 当日照强度和电池温度方式
4 3 I/A
I/A
5
4
3 0 2 4 T/℃ 6 8 10
(d) I T 曲线
图4
仿真曲线
变化时，输出电流能很快地进行调整。日照强度 S 增加时，I o 增大，电池温度 T 增加时，I o 减小，与 实际参数相符。
2
4
结
论
安置房建设1 0 0 2 4 V / (a) I V 曲线 6 8 10
光伏电池是一个非线性电源， 其输出量与多个 变量都密切相关，例如日照强度和环境温度等。本 文基于光伏电池物理模型， MATLAB/SIMULINK 在 环境下。建立的通用数学仿真模型，能模拟参数变 化时输出量的变化。
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Versatile Model for Photovoltaic Cell Based on MATLAB
Wang Changjiang
(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China) Abstract: The output characteristics of PV cells are no-linear, so it's necessary to establish a more accurate mode of PV cells in simulation. A versatile model for photovoltaic cell was designed by using MATLAB based on the physical model of photovoltaic cell. With the model, the I-V characteristics of photovoltaic cell in any condition can be simulated. The parameters were calculate
d by the optimization design formula and it can improve the output characteristics of the photovoltaic cell model. Besides, the model included the function of MPPT and has a good performance in tracking best point of the photovoltaic system. Key words: photovoltaic cell; MPPT; I-V characteristics
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