太阳能光伏电池输出特性分析与仿真研究

第三部分系统仿真

３４ｌ

太阳能光伏电池输出特性分析与仿真研究

杜慧１

林永君２

张少伟３

（１．华北电力大学控制科学与１＝程学院．河北，保定。０７１００３ｉ２．华北电力大学控制科学与工程学院，河北．保定，０７１００３）

摘要：首先介绍了太阳能光伏电池的原理，根据太阳能电池的输出特性，利用ＭＡＴＬＡＢ软件中的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ根据太阳能电

池的数学模型建立太阳能电池板的ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，并根据其输出的伏安、伏瓦以及安瓦特性曲线分析太阳能电池板的输出特性。

关捷词：光伏电池‘１光伏电池模组；仿真模型：输出特性分析中图分类号：ＴＭ９１４．４

ＴｈｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＯｕｔｐｕｔＦｅａｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ

ｏｆＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＣｅｌｌ

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ｌ

引言

随着人类社会的发展，能源和环境成为了人们面埘的

实际转换效率受到了进一步的限制。因此，对光伏电池输

出特性的研究成为了该行业的一个重要课题。

太阳能发电是将太阳光能直接转换成电能的转换方

紧要问题。如何充分有效利用可再生能源成为人们关注的焦点。太阳能作为一种广泛分布的“清洁能源”，有较好

式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。太阳能光伏发电是利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直接发电形式。

的应用前景。光伏电池是太阳能发电的核心部分。具有将太阳能转换为电能的功效。但是由于器件本身的复杂特性，迄今为止光伏电池的转换效率仍然很低。而且，光伏电池的输出特性具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度、温度、负载等）以及木身技术指标（如输出阻抗）的影响，使得光伏电池的输出功率发生变化，其

２光伏电池的原理

光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光电子一空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。对于半导体Ｐ—Ｎ结，光伏效应更明显，因此，太阳能光伏电池都是由

作者简介：杜■（１９８２－）．女，辽宁省昌嘲县人，在读工学硕士．研究方向为工业７Ｅ产过程的建模与控制：林永君（１９６５一）．男（汉族）・【“东省人．教授，硕士生导师．博士。主婴从事电站，｛：产过程仿真技术的研究和电站生产过程拄制技术研究・大电机串级调速优化控制；电站计算机网络及安全产品开发．太刚能并网发电及优化控制等。

３４２

系统仿真技ａｌｃ．）＆－Ｙｔ－应／ｉｑ・第ｌＯ卷

半导体构成的。

母一光伏电池串联电阻。

若在内建电场的两侧引出电极并接上负绒，则负载此外，

就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太，。：坠堡

”

（３）

阳的光能就直接变成了可以付诸使用的电能。当光照恒足曲

定时，由于光生电流，。。，不随光伏电池的工作状态ｆ叮变

所以，综合式（１）、（２）、（３）可得

化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源，．。Ⅲ。光

ｒ”

伏电池的两端接入负载尺后，光生电流流过负载，从而，一，圹ｋ｛ｅｘｐ嚆笋）】．１ｌ－半㈤

在负载的两端建立起端电压ｙ。负载端电压反作用于光伏电池的Ｐ．Ｎ结上，产生一股与光生电流方向相反的电流，肋＝【ｋ“∥一２９８）］志

侣’

厶。此外，由于太阳能光伏电池板Ｉｊ｛『后表面的电极以及材

其中：磊ｃｒ标准测试条件下光伏电池的短路电流（Ａ）

料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会＾——光照强度（Ｗ／ｍ２）

引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻咫。串联膨一短路电流的温度系数（Ａ／ｏＫ）

电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在

在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流Ｌ，实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同都在１０。欧至几欧之间【２ｌ。另外，由于制造工艺的因素，

样，开路电压艮也与二者有密切的关系，如下旧１：

（６）

光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的

吆＝‰＋研（Ｔ一２９８）

裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的

其中，‰为标准测试条件下的开路电压，肝为开路电压

光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Ｒ。来等效。相

的温度系数。

对于串联电阻来说。并联电阻比较大，一般在ｌｋＱ以上。

注：光伏电池温度为２５０Ｃ日照强度为１０００Ｗ／ｍｓ，称之为太阳能光伏电池的等效电路如图ｌ所示：

标准测试条件ＳＴＣ。

在发电效率上，似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了忍外还包括二极管的电流值，因此届对光伏电池的发电效率的影响较１

为明显。因此，在下面的讨论中将忽略尼＊，并且得到简ｈ一

√

ｄ审‰ｌ

化的光伏电池输出特性方程如公式

，＝［ｐｈ－－Ｉｏｓ｛ｅｘｐ【警）】－１ｌ（７）

３光伏电池模组与阵列

图１太阳能光伏电池等效电路

由太阳能光伏电池等效电路可得出：

光伏电池模组口Ｊ（Ｍｏｄｕｌｅ）是由许多小单位的光伏电Ｉ＝Ｉ曲一，ｄ一，曲

（１）

池经由并联或串联组合所组成的。光伏电池串联组合可其中：，——流过负载的电流；

以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压；光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电，砷——与日照强度成正比例的光生电流：流。因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到，。——流过二极管的电流：期望的直流电压或电流。据此可以得到光伏电池模纽的

ｆ曲——太阳能光伏电池的漏电流。

输出特性方程ｔ４１：

而

Ｌ‰ｆｅｘｐ【掣）】＿ｌＪ（２）

Ｊ＝ｎ，Ｊ『砷一九，，。，｛ｅｘｐ【！笔；｝三孚）卜ｌＪ（８）

其中～、‰分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。上式中，

同样。光伏电池阵列Ｄ１（Ａｒｒａｙ）是由许多小单位的模纽经ｒ电子电荷（１．６ｘ１０ｑ９ｃ）；Ｌ．—咣伏电池暗饱和电流（一般而言，其数量级为１

ｏ．１Ａ）：

由并联或串联组合所组成的。

骼～玻耳兹曼常数（１．３８ｘ１０＋∞Ｊ／Ｋ）：表１列出了德国Ｓｉｅｍｅｎｓ公司生产的ＳＰ７５型号的光伏电池模组的各项参数。它由３６个单结晶矽光伏电池串＾－ＰＮ结理想因子；

卜绝对温度（＝ｔ＋２７３Ｋ）：

联而成，根据公式（８），得到该光伏电池模组的输出特性

方程：

尼＾——光伏电池并联电阻：

第三部分系统仿真

３４３

，＝，砷一，ｍ｛ｅｘｐ［皇笔鲁去争）卜，）

表１

Ｓｉｅｍｅｎｓ

（９）

可求得不同气候条件下的凡。但由于数据有限，并且凡

值较小，可采用凰恒定的方法来近似模拟。

完成上述三个未知量的求解，根据公式（９）即可实现

ＳｉｅｍｅｎｓＳＰ７５光伏电厂模组的建模，如图２所示。采用ｙ、

ＳＰ７５在标准测试条件下的参数ｂ１

规格７５（Ｗ）

４．４（Ａ）１７（Ｖ）电气特性额定最大功率尸眦。额定ｆｌｌ流１。。。额定电压‰。。ｎＡ作为输入，，、Ｐ（输出功率Ｐ＝Ｉ∽作为输出。输入变量ｙ在Ｏ～２５Ｖ之间，模拟温度Ｔ＝２５０Ｃ、日照强度在２００～１０００Ｗ／ｍ２，得到光伏电池模组的Ｉ—ｕ、Ｐ．Ｕ、Ｐ．Ｉ关系如图３、图４、图５所示。

短路电流ｋ。

４．８（Ａ）

矩路ｌ乜压‰。

２１．７Ⅳ）短路电流温度系数墨

２．０６（ｍＡＰＣ）

短路电压温度系数研

．０．７７（ｖ化）

ＮＯＣＴ（ＮｏｒｍａｌＯｐｅｒａｔｉｏｎＣｅｌｌ

４５±２（ｏＣ）

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）

４光伏电池的仿真实现

在公式（５）中的未知量有如、ｋ以及凡，下面对这三个未知量进行讨论，分别建立模型。４．１求解未知量厶

根据公式（５）建立‘子模块。

４．２求解未知量，Ⅳ

当外部负载短路时，知１＝０，怍‰，此时

，坤一，。，｛ｅｘｐ【！竖丢妻笋）卜１】＝ｏ

因此可求得

一ｅｘｐ’ｔ怒Ｈ１

，：

！丝

ｉｊ＝卜

根据公式（６）可先建立‰子模块。

令ｙ：垒竖则建立Ｖ予模块，并且得到公式（１０）

‘

ｑ

，

：

！丝

（１０）

ｅｘｐ‘矗】一１

根据上式可建立‰子模块。

４．３求解未知量尼

在最大功率点处，有

，唧＝，一一，。｛ｅｘｐ【翌学）】一１ｌ（１）

若取理想因子Ａ＝Ｉ，则在温度／＇－－２５０Ｃ、ｖｒ－－２５．６８ｍＶ

下，则在标准测试条件下的串联等效电阻

也＝——专＿却’５４５６Ｑ

３６Ｖｓ

１ｎ（写生＋１）“

若得知在不同Ｔ、Ａ下的最大功率点（ＫｐＰ。，ｗｐ，），就

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２０ｕｔ２

图２光伏电池模型

Ｕ（电压单位：ｖ）

图３光伏电池模组的Ｉ－ＵＩｌｆＩ线

亨

孽

褂

喜

ｏｌｉｎ；单位：ｖ）

图４光伏电池模纽的Ｐ－Ｕ曲线

；

趔＃爵霄

正

Ｉ（电流单位：Ｗ）

图５光伏电池模组的Ｐ－Ｉ曲线

５太阳能光伏电池的输出特性

太阳能电池由于受外界因素（温度、日照强度等）影响很多，因此其输出具有明显的非线性，从仿真实验结

果中我们得到了太阳能光伏电池的输出特性。温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的丌路电压几乎不变，短路电流有所增加。最大输出功率增加；日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开

路电压下降。短路电流有所增加，最大输出功率减小。

此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能光伏电池板总有一个最大功率点，温度（或日照强度）不同。最大功

率点位置也不同。

６结论

本文建立了太阳能电池板的仿真模型，并对不同光照强度的太阳能电池板的特性进行分析和研究，让我们更加深刻的理解到太阳能电池板的输出特性，为进行最

系统仿真技术及其应用・第】Ｏ卷

大功率跟踪提供了很好的条件。

太阳能作为绿色能源，取之不绝、用之不尽。光伏

电池利用太阳光发电，将太阳能转换为电能。光伏电池的输出受到电池表面温度、日照强度等外界环境因素的影响，具有明显的非线性。因此，当外界因素发生变化时，光伏电池很难保证最大功率的输出，从而造成能源上的浪费。光伏电池转换效率低成为光伏系统研究的一个主要问题。因此，如何进一步提高光伏电池的转换效

率，即如何跟踪光伏电池的最大功率点，一直是光伏系

统研究的重要方向。本文做的太阳能光伏电池模纽的仿真为最大功率跟踪提供了很好的研究条件。

参考文献

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太阳能光伏电池输出特性分析与仿真研究

作者：作者单位：

杜慧， 林永君， 张少伟

华北电力大学控制科学与工程学院，河北，保定，071003

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