光伏陣列在不均勻光照下的輸出特性仿真研究

趙品

摘要：文章以Matlab/Simulink為工具建立仿真模型，得到在不均勻光照下光伏陣列的輸出特性。根據(jù)光伏發(fā)電的原理和光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在simulink中搭建模型光伏陣列的模型。在不同的光照條件下，通過對模型的仿真得到I-U曲線和P-U曲線，根據(jù)仿真結(jié)果對輸出特性進(jìn)行總結(jié)并得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；不均勻光照；輸出特性；信真模型；Matlab；Simulink 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM914 文章編號：1009-2374（2015）29-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.012

1 光伏發(fā)電的基本原理

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池的等效電路如圖1所示，圖中，為光生電流，取決于光伏電池的面積和入射光的輻照度和本體的溫度；為暗電流，是光伏電池?zé)o光照時由外電壓作用下PN結(jié)流過的單向電流；為負(fù)載電流；為開路電壓，與入射光的輻照度的對數(shù)成正比，與環(huán)境溫度成反比；為串聯(lián)電阻，一般小于1歐姆；為旁路電阻，一般為幾千歐姆；I0為無光照時的飽和電流；為短路電流。

圖1 光伏電池等效電路

滿足：

（1）

式（1）中，；；為常數(shù)因子，正偏電壓大時取1，小時取2，一般取1.3；為環(huán)境絕對溫度。

1.2 光伏電池輸出特性的工程計(jì)算方法

廠家一般提供的參數(shù)有標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的、

、（最大功率）、（最大功率點(diǎn)電流）和（最大功率點(diǎn)電壓）。

任意工況下的特性為式（2）：

忽略串聯(lián)和并聯(lián)電阻，可得式（3）：

標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，，，式（3）可以表示為：

一般工況下，輻照度和溫度與標(biāo)準(zhǔn)工況的相應(yīng)參數(shù)的差為：

一般工況下的參數(shù)計(jì)算為：

以上公式中，，，。

2 仿真探索不均勻光照下光伏陣列的輸出特性

2.1 模型介紹

模型中每一個光伏電池都并聯(lián)了一個旁路二極管，但只并聯(lián)旁路二極管時運(yùn)行中會報錯，因此旁路二極管旁又并聯(lián)一個電阻，光伏陣列模塊由4個光伏電池串聯(lián)。光伏電池模塊如圖2所示：

圖2 光伏電池模塊

用以上模型仿真，將光伏陣列的輸出電壓、輸出電流、輸出功率導(dǎo)入matlab的workspace當(dāng)中，即可畫出相應(yīng)的光伏陣列輸出特性曲線。

2.2 不均勻光照下光伏陣列的輸出特性

2.2.1 一種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照均設(shè)為時，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖3（a）和3（b）所示：

圖3 一種光照時光伏陣列的輸出特性

觀察圖3，在I-U特性曲線中，光伏陣列的開路電壓即為4個光伏電池串聯(lián)后的開路電壓，；光伏陣列的短路電流即為4個光伏電池串聯(lián)后的短路電流，。P-U特性曲線中，光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓為，最大功率為，。仿真所得圖線與理論計(jì)算結(jié)果一致。

2.2.2 兩種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設(shè)為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖4圖4 兩種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.3 三種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設(shè)為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖5（a）和5（b）所示：

圖5 三種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.4 四種光照時光伏陣列的輸出特性。將4個光伏電池的光照分別設(shè)為、、、，輸出光伏陣列的I-U特性曲線和P-U特性曲線，如圖6（a）和6（b）所示：

圖6 四種光照時光伏陣列的輸出特性

2.2.5 不均勻光照下光伏陣列的輸出特性仿真總結(jié)。（1）當(dāng)整個光伏陣列中只有一種光照時，其I-U特性曲線上只有一個膝點(diǎn)，其P-U特性曲線上只有一個峰值；（2）當(dāng)某塊光伏電池被遮擋時，由于所接受到的光照下降，導(dǎo)致被遮擋的光伏電池的I-U特性曲線上短路電流的下降，同時由于遮擋導(dǎo)致光伏電池溫度升高，其相應(yīng)的開路電壓也會相應(yīng)減小。因此，當(dāng)光伏陣列中的某塊電池被遮擋時，其光伏陣列的輸出特性會發(fā)生變化，即整個光伏陣列的I-U特性曲線上會出現(xiàn)多個膝點(diǎn)，而對應(yīng)的P-U特性曲線上可能會出現(xiàn)多個峰值；（3）當(dāng)有個光伏電池串聯(lián)，有（）種光照時，光伏陣列的I-U特性曲線將有個膝點(diǎn)，P-U特性曲線可能會出現(xiàn)個波峰。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）