基于MATLAB/GUI的光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳春芳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門(mén)開(kāi)平供電局，廣東 開(kāi)平 529300）

隨著化石能源的不斷消耗，全球都正面臨著能源的危機(jī)，而太陽(yáng)能有著清潔、分布廣泛等特點(diǎn)，很快地成為當(dāng)今發(fā)展速度居第二的清潔能源[1-2]，太陽(yáng)能與其他新能源相比較，利用率大，是目前理想的可再生能源。太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性不僅與其模塊的內(nèi)部各種參數(shù)有關(guān)系，而且還與外界的溫度和光照有著密切的關(guān)聯(lián)[3]。因此，建立通用的工程用光伏電池模型，研究環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度等外部條件對(duì)太陽(yáng)能電池輸出特性的影響，是十分有必要的。

目前，已有大量的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了一定的研究，文獻(xiàn)[4-5]給出了一些光伏發(fā)電相關(guān)的仿真模型，但這些模型一般都需要已知一些特定的參數(shù)，所以分析研究起來(lái)便存在一定的困難。文獻(xiàn)[6-7]給出了經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的光伏電池模型，但是卻不能任意改變?cè)紖?shù)而使得研究起來(lái)有些困難。文獻(xiàn)[8]給出了光伏電池的原理模型，但參數(shù)選用過(guò)于趨于典型值，這樣便會(huì)造成較大的誤差。

根據(jù)光伏電池的基本理論，其等效模型如圖1所示[9-12]。

圖1 光伏電池的等效電路

由電子電路基本原理得到如式(1)的基于光伏電池物理原理的最基本解析式，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在光伏電池的理論分析中，但由于IL、I0、Rsh、Rs和A均與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，且難于確定，也不是供應(yīng)商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)，故而運(yùn)用起來(lái)有一些困難。

式中：IL為光電流，A；Rsh為并聯(lián)電阻，Ω；T為絕對(duì)溫度，K；I0為反向飽和電流，A；A為二極管因子；q為電子電荷，1.6×10-19C；K為波耳茲曼常數(shù)，1.38×10-23C；Rs為串聯(lián)電阻，Ω。

鑒于此，本文采用光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型，模型強(qiáng)調(diào)的是實(shí)用性和準(zhǔn)確性的結(jié)合，只需要廠商提供參數(shù)，就可以擬合出高準(zhǔn)確性的模型，且具有較好的移植性，此外，主要利用MATLAB/GUI編寫(xiě)了一款適用于光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算軟件，通過(guò)在仿真平臺(tái)上設(shè)置輸入?yún)?shù)便可以簡(jiǎn)潔而形象地分析電池的輸出特性，提供了良好的交互性，這為微電網(wǎng)的進(jìn)一步研究提供一定的參考。

1 光伏電池工程實(shí)用數(shù)學(xué)模型

本文根據(jù)光伏電池物理模型的外部輸出特性，建立了適用于工程計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際中廠商一般會(huì)提供給用戶4個(gè)基本參數(shù)，即最大功率點(diǎn)電壓Um、最大功率點(diǎn)電流Im、開(kāi)路電壓Uoc、短路電流Ise，利用這些參數(shù)經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)擬合出與實(shí)際輸出特性類(lèi)似的U-I特性曲線。根據(jù)光伏電池U-I關(guān)系曲線可以得到如下基本輸出特性公式。

式中：U、I為光伏電池輸出電壓與電流，C1、C2為修正系數(shù)。

模型采用的是對(duì)不同光強(qiáng)和溫度條件下廠商提供的4個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，即對(duì)C1和C2進(jìn)行修正，在任意環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)擬合對(duì)Um、Im、Uoc、Ise進(jìn)行補(bǔ)償修正，近似推算出如下任意光照S和電池溫度T下4個(gè)技術(shù)參數(shù)修正量。

式中：補(bǔ)償系數(shù)a、b、c為常數(shù)，據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合，工程使用中其典型值推薦為a=0.0025℃，b=0.0005W/m2，c=0.00288℃。

使用這種環(huán)境修正法得到的過(guò)程用模型不需要物理模型中復(fù)雜的參數(shù)，只需廠商的4個(gè)基本性能參數(shù)就可以擬合出光伏電池的數(shù)學(xué)模型，且可以根據(jù)不同型號(hào)的電池來(lái)修正模型中的補(bǔ)償系數(shù)，增加了模型的準(zhǔn)確性，靈活性。

下面利用此工程模型分析研究溫度和光照對(duì)光伏電池輸出特性的影響，利用MATLAB編寫(xiě)了工程用模型的M文件，其中，電池基本參數(shù)為，Um=35.9V、Im=7.56A、Uoc=44V、Ise=8.29A，Rs=0.002Ω，仿真時(shí)補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置為典型值。其中模塊輸入變量為溫度Tc；光照強(qiáng)度S；輸出模塊為光伏電池輸出電流I，通過(guò)改變光照強(qiáng)度和溫度參數(shù)來(lái)分析研究光伏電池的基本輸出特性。

保持溫度Tc為25℃時(shí)，使得光照強(qiáng)度S分別為600 W/m2、800 W/m2、1000 W/m2時(shí)的光伏電池陣列U-I、U-P曲線如圖2所示。另外，為了研究溫度的影響，設(shè)置光強(qiáng)S為1000 W/m2不變，改變溫度T分別為25℃、28℃、31℃時(shí)，得到光伏電池輸出特性曲線如圖3所示。

圖2 光強(qiáng)對(duì)輸出特性的影響

由圖2(a)可知，保持溫度不變，光照強(qiáng)度越高，光伏電池的輸出電流就會(huì)越大，在電壓較低時(shí)電池近似為恒流源，光伏電池開(kāi)路電壓變化不大，在電壓高時(shí)其性能與恒壓源類(lèi)似，短路電流和日照強(qiáng)度近似成正比。由圖2(b)可知，保持溫度不變，光照強(qiáng)度越高，光伏電池的輸出功率越大，看出3條曲線的峰值幾乎在同樣大小的電壓上，即當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，最大功率點(diǎn)的輸出電壓基本保持恒定。

圖3 溫度對(duì)輸出特性的影響

由圖3(a)可知，當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，隨著溫度的增大，光伏電池陣列開(kāi)路電壓減小，短路電流略有上升，但變化不大，因此最大功率點(diǎn)也在減小。由圖3(b)可知，電壓小于最大功率點(diǎn)電壓附近，功率近似呈現(xiàn)出線性變化，溫度越高，其最大輸出功率卻變得越小。

2 基于MATLAB/GUI光伏電池仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

圖形用戶界面（GUI）是由窗口、按鍵、光標(biāo)、菜單、文字說(shuō)明等對(duì)象（Object）構(gòu)成的一個(gè)用戶界面。用戶通過(guò)一定的方法(如鼠標(biāo)或鍵盤(pán))選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。

本文所分析的是對(duì)光伏電池輸出特性的研究，而影響其輸出特性的因素很多，其主要包括光照強(qiáng)度以及溫度，故而仿真平臺(tái)中要設(shè)置這些參數(shù)的輸入端口以此來(lái)提供人機(jī)交互的仿真環(huán)境，通過(guò)改變參數(shù)可以形象的在軟件界面中觀察其變化規(guī)律。

2.1 仿真系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

光伏電池輸出特性仿真軟件的整體設(shè)計(jì)也就是需要滿足的基本功能，其所實(shí)現(xiàn)的主要功能模塊包括參數(shù)變量設(shè)置、補(bǔ)償系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析模塊以及系統(tǒng)的性能參數(shù)。該仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。

圖4 仿真平臺(tái)流程圖

2.2 光伏電池仿真軟件的實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的光伏電池工程用仿真軟件平臺(tái)，其基本結(jié)構(gòu)主要包括影響光伏電池特性的參數(shù)設(shè)置部分、圖形顯示部分、功能按鈕部分3大類(lèi)。用戶可以在此平臺(tái)上設(shè)置各種相應(yīng)的輸入?yún)?shù)來(lái)分析研究光伏電池的輸出特性，此外，還可以導(dǎo)入外界已知的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

軟件界面主要是由按鈕pushbutton、圖形窗axes、靜態(tài)text、可編輯text來(lái)組成，其中靜態(tài)text均是對(duì)參數(shù)輸入信息和軟件信息的顯示，而可編輯text均是影響光伏電池輸出特性的仿真參數(shù)的改變輸入，4個(gè)pushbutton的功能分別為開(kāi)始仿真、清除波形、導(dǎo)入數(shù)據(jù)以及退出軟件按鈕，仿真結(jié)果分別顯示在U-I和U-P所在的圖形窗口中，改變各參數(shù)觀察仿真波形，總的來(lái)說(shuō)，溫度越低，電流和功率值越大；光照強(qiáng)度越大，電流和功率值越大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用MATLAB編寫(xiě)了光伏電池工程用模型的仿真程序，此數(shù)學(xué)模型有效地解決了一般模型中參數(shù)難于確定、不易建模、不靈活等劣勢(shì)，分析得出光伏電池的輸出是一個(gè)隨溫度、光照等因素非線性變化的量，可以看出工程實(shí)用模型移植性好，提高其通用性而且可以對(duì)修正系數(shù)的典型值進(jìn)行調(diào)整，改善了工程模型輸出特性曲線的精確度，最后利用MATLAB/GUI編寫(xiě)了一款適用于光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算軟件，通過(guò)在仿真平臺(tái)上設(shè)置輸入?yún)?shù)便可以簡(jiǎn)潔而形象地分析電池的輸出特性，提供了良好的交互性，這為光伏電池輸出特性以及微電網(wǎng)的進(jìn)一步研究提供一定的參考。