摘 要：介绍一种以输出特性为基础的光伏电池数学模型，该模型通过光伏电池的4个标准性能参数拟合出电池输出特性，它能模拟光伏阵列在任意太阳辐射强度、环境温度下的输出特性。最后，在Matlab/Simulink环境下建立光伏电池的仿真模型，将仿真结果与实测结果进行对比，验证该模型的准确性。
关键词：光伏电池；输出特性；Matlab/Simulink；数学模型
随着低碳经济和低碳技术的发展，太阳能作为一种洁净可再生能源已成为各国研究的热点，各国政府也相继出台各类政策支持太阳能光伏产业的研究和发展。然而，由于其较高的研发费用和受实际环境因素限制，使太阳能光伏技术的发展远不能满足社会发展需求。所以实验室仿真分析成为光伏电池设计与研究的有效手段。本文在Matlab/Simulink的仿真系统中，基于光伏电池输出特性的基础上对光伏电池进行建模，仿真结果表明，该数学模型的输出特性与实际太阳能电池板输出特性非常接近，验证了设计的正确性。
1 光伏电池实用仿真数学模型
光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓的光伏效应是指半导体材料吸收光能后产生电动势的现象。所以光伏电池本身是一个P-N结，基本特性与二极管类似，其等效电路由光生电流源和一些电阻组成。仿真模型的特点是采用简单且易获取的参数拟合出光伏电池的输出特性，适用于对电池外部特性进行的仿真研究。根据光伏电池的V-I特性曲线可以得到基本输出特性公式：
I=ISC[1-C1(e-1)](1)
C1=(1-Im/Isc)e(2)
C2=(Um/Uoc-1)/ln(1-Im/ISC)(3)
式中：U、I为电池输出电压和电流；C1，C2为修正系数。
上述数学模型还与实际环境存在一定偏差，所以应该进行修正。采用性能参数修正法建立的数学模型，在环境条件变化时，如温度，光照强度等因素，可以对光伏电池的4个性能参数进行修正，得到接近实际环境下的光伏电池实用模型，修正系数如下所示：
DI=S/Sref[1+a(T-Tref)](4)
DU=[1-c(T-Tref)]ln[e+b(S-Sref)](5)
I′sc=IscDII′m=ImDI(6)
U′oc=UocDIU′m=UmDI(7)
式中：a和c为温度补偿系数，b为光强补偿系数。
2 Matlab/Simulink仿真建模
从上面公式得到的光伏电池实用仿真模型不需要复杂的参数，只需要4个基本性能参数就模拟光伏电池输出特性。利用Matlab对上述光伏电池模型进行仿真，以式(1)为数学模型基础，在simulik里建立仿真模型。图1为光伏电池数学模型内部结构，图2为该模型的封装模块，并在内封装Um，Uoc，Im，Isc以及Tref，Sref参数，太阳能电池模型参数设置图3所示。其中V，I为模型实际电压和电流，S，T分别为实际日照强度和环境温度。
2 光伏电池实验与结果及输出特性分析
光伏电池输出功率是光伏电池一个很重要的参数，且在一定光照强度和温度下都有最大功率点，它由式(8)决定：
P=UI=UISC[1-C1(e-1)](8)
在环境温度25℃时，光照强度分别为0.8kW/m2，1kW/m2，1.2kW/m2时光伏电池P-U，I-U曲线如图4，图5所示。
在光照强度为1kW/m2，环境温度分别为15℃，25℃，35℃时光伏电池P-V，I-V曲线如图6，图7所示。
从仿真实验结果中我们可以看到太阳能电池由于受温度和光照强度等环境因素影响很大，其输出具有明显的非线性。光照强度相同时，随着温度上升光伏电池开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率也减小；温度相同时，随着光照强度的增加开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大功率也有所增加。基于光伏电池输出特性具有非线性和最大功率点特点，而且最大功率点也随着光照强度和环境温度等因素变化，为提高能量转换效率，在实际应用中光伏电池需采用适当的最大功率点跟踪算法控制光伏系统，保证光伏电池总是运行在最大功率点。
3 结束语
光伏电池输出特性不仅与自身参数有关，还与外界光照强度和环境温度有关。本文在分析光伏电池输出特性的基础上，利用Matlab/Simulink搭建实用仿真模型。仿真结果表明，与光伏电池理想等效模型相比，该模型不需要复杂的参数，只需生产厂家提供的4个基本参数就可实现接近实际环境下的光伏电池输出特性曲线，且模块构造简单易于理解，参数容易调整，通用性强、可靠性和精度明显优于其他模型，能够满足光伏系统设计要求，为光伏电池理论分析和实际工程设计提供很大便利。
参考文献
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作者简介
符江升，男，陕西咸阳人，硕士研究生，西南交通大学电气工程学院，研究方向：电力电子技术及其应用。