基于simulink光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真(3)

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如图1.1各模块的实现路线如下： PV:光伏电池特性分析；

BOOST:利用一个电感、一个电容、一个二极管、一个电阻和一个IGBT构建仿真模型；

控制器:根据扰动观察法的算法构建仿真模型；

PWM：利用simuink 模块中三角波发生器和比较器组成脉宽调制器，通过控制器改变PWM输出的脉冲宽度。

1.6 本章小结

本章介绍了课题研究背景、意义和目的，分析了光伏发电的国内外的发展和现状；说明了本课题主要研究内容和创新点；细述了研究的基本思路和技术路线。

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2光伏电池分析

2.1 光伏电池工作原理

光伏电池主要是用硅材料做成的，这个硅包括多晶硅、单晶硅和非晶硅。硅材料在地球中储量非常丰富，经过无尘加工可以制成晶体硅。当前光伏电池大多用单晶硅和多晶硅为材料,现在以单晶硅光伏电池为例进行介绍。单晶硅光伏电池外形结构如图2.l所示：

图2.1 光伏电池结构

这是一种N+/P型光伏电池,它的基体材料为P型单晶硅,该层参杂了微量三价元素，厚度在0.04mm以下,上表面层为N型层,是受光层,该层参杂了重量的五价元素。它和基体在交界面处形成一个P-N结。在上表面上加有栅状负极,可提高转换效率，而在最底层是金属正极；此外,在光伏电池朝光面上,加有一层可以减少对阳光反射的物质,它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜,从而，可以使光伏电池在一定面积内接受更多的阳光，在一定程度上可以提高光伏电池的输出功率。

光伏电池的工作原理:对于半导体材料而言,当其中的P-N结处于平衡状态的时,在P-N结处会形成一个空间电荷区也即耗尽层或阻挡层,构成由N区指向P区的内电场。当射光子的能量大于禁带宽度①,即入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候,太阳光子射入半导体内部,把电子从价带激发到导带,在价带中留卜一个空穴,产生了一个电子和空穴。因此,当能量大于禁带宽度的光子进入电池的空间电荷区时,会激发产生一定数量的电子和空穴。在空间电荷区中产生的电子和空穴,立即被内电场排斥到P区和N区,激发的电子被推向N区,激发的空穴被推向P区。最终使N区中获得了许多的电子,在P区中获得了许多的空穴,从而在P-N结两侧形成了与内电场方向相反的光生电动势[3]，

①

一个能带宽度，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

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当接上负载后,电流就从P区经过负载流向N区,负载即获得功率。

2.2光伏电池物理模型

光伏电池是用半导体材料的光伏效应②制成的，它的伏安特性主要随外界光照强度S(W/㎡)和光伏电池表面温度T(℃)的变化而变化，其特性呈非线性[4][5]。可以用函数I=f(V,S,T)描述光伏电池输出电流。通过电子学理论和电路等效原理，可得光伏电池理想等效模型如图2.2。该模型的数学表达式：

I?Iph?Io{exp[q(V?IRs)V?IRs （2-1 ） ]?1}?AKtRsh式中Iph——光电流（A）；Io——反向饱和电流（A）；q——电子电荷（1.6×1019C）；；t——绝对温度（K）；A——二极管因子；K——波尔兹曼常数（1.38×10^-23J/K）

Rs——串联电阻（?）；Rsh——并联电阻（?）；I——输出电流（A）；V——输出电

压（V）。

图2.2 光伏电池等效电路图

式（2-1）适合理论分析但不适合工程应用，工程应用公式实在此基础上进行修改，引

Voc（光伏电池开路电压）进Isc（光伏电池短路电流）、Im（光伏电池最大功率点电流）、、Vm（光伏电池最大功率点电压）四个技术参数。 (2-1)式则可表示：

I?Isc{1?C1[exp(V)?1]} （2-2 ） C2Voc其中C1?(1?ImV)exp(?m) (2-3 ) IscC2Voc C2?(VmI?1)[ln(1?m)]?1 (2-4 ) VocIsc ②

光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。

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在电池温度和光照强度的变化下，Isc、Im、Voc、Vm会按照一定规律变化，通过引入相应的补偿系数，近似推算出任意光照S和电池温度T下四个技术参数：

Isc?IscrefS(1?a?T) （2-5 ） SrefIm?ImcrefS(1?a?T) (2-6 ) SrefVoc?Vocrefln(1?b?S)(1?c?T) (2-7 ) Vm?Vmrefln(1?b?S)(1?c?T) (2-8 ) ?T?T?Tref （2-9 ）

?S?S?1 (2-10) SrefT?Tair?kS （2-11）

其中Iscref 、Imcref 、Vmref 、Vocref为光伏电池在Sref?1000W/m2，Tref?25℃技术参数。 推算过程中假定光伏电池伏安特性曲线基本不变，则系数a、b、c、k的典型取值分别为0.0025/℃、0.5、0.00288/℃、0.00125℃·m2/ W。

根据以上数学表达式可以在MATLAB/SIMULINK中搭建光伏电池仿真模型如图2.3，该仿真模型标准参数Iscref?8A、Imcref?7.2A、Vmref?78V 、Vocref?100V。

图2.3 光伏电池仿真模型

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图2.3 光伏电池仿真模型内部详细结构在附录中。

2.3光伏电池输出特性

（1）在光伏电表面温度为T=25℃情况下，日照强度变化对光伏电池伏安特性的影响(横坐标为光伏电池输出电压U/V，纵坐标为光伏电池输出电流I/A)。

图2.4温度不变，光照强度变动的伏安特性

分析：保持其他条件不变，光照强度由 200到1000W/m2变化，则光伏电池短路电流和开路电压相应的增大，尤其短路电流的增幅相对于开路电压变化更大，将近3倍与开路电压，与文献[6]的图3相比较，仿真伏安特性有一定的误差。

（2）在光伏电池S=1000W/m2情况下，光伏电池表面温度变化对光伏电池伏安特性

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