魯志平 王 東

（保定天威風(fēng)電科技有限公司，河北 保定 071051）

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，光伏發(fā)電作為新能源利用的主要方式，其研究和應(yīng)用正迎來(lái)一個(gè)高潮。但光伏發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)安裝和測(cè)試時(shí)，如果使用真實(shí)光伏陣列進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，不僅成本高、難度大，且難以實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境條件下系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。而光伏陣列模擬器可以模擬出各種環(huán)境條件下光伏陣列的輸出特性，從而為發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試帶來(lái)極大方便[1]。

現(xiàn)有的光伏陣列模擬器主要分為模擬式和數(shù)字式兩種。文獻(xiàn)[2]提出了一種模擬式的光伏陣列模擬器，主要由可控光源、溫控設(shè)備、樣品光伏電池和電流放大裝置構(gòu)成，通過(guò)調(diào)節(jié)光源的光照強(qiáng)度和工作溫度，模擬自然條件下光伏電池的工作環(huán)境。用戶通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)放大的光生電流來(lái)模擬真實(shí)光伏陣列的輸出特性。這種模擬器的主要缺點(diǎn)是：人造光源難以在光的頻譜構(gòu)成和光照強(qiáng)度方面模擬太陽(yáng)光，而且放大電流誤差較大，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[3-4]提出了數(shù)字式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)方法，主要是使用單片機(jī)或DSP作為控制部分，將光伏陣列在各種環(huán)境條件下的輸出曲線存儲(chǔ)在內(nèi)部，使用高頻開(kāi)關(guān)電源模擬光伏陣列的功率輸出特性。這些模擬器的缺點(diǎn)在于所存儲(chǔ)的特性曲線是經(jīng)過(guò)擬合和近似的，模擬功率范圍越大，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)越復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期越長(zhǎng)。本文提出了另外一種數(shù)字式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)方法，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)和恒流源等設(shè)備以及虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)光伏陣列模擬器的快速方法，具有開(kāi)發(fā)時(shí)間短，操作方便，精度高的特點(diǎn)。

1 光伏電池特性

太陽(yáng)能電池單體是一種能夠?qū)⑻?yáng)光中的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體裝置。其理想等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池理想等效電路

圖1中，Iph是光生電流；ID是暗電流，表示光伏電池的P-N結(jié)自身在外電壓的作用下流過(guò)的擴(kuò)散電流；Rsh為等效并聯(lián)電阻，形成的原因主要是漏電流所對(duì)應(yīng)的P-N結(jié)漏泄電阻；Rs為等效串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻形成。光伏電池輸出特性方程為

式中，IP為流過(guò)等效并聯(lián)電阻的電流；Io為 P-N結(jié)反向飽和電流；A為P-N結(jié)曲線參數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K為玻爾茲曼常數(shù)。

光伏陣列是由數(shù)個(gè)光伏電池元件組成，既非恒壓源，也非恒流源，也不能提供任意大小的功率，是一種非線性的直流源，與傳統(tǒng)的直流電源有很大區(qū)別。其電源特性在工作范圍變化很大，隨著工作狀態(tài)變化，光伏陣列的功率-端電壓（電流）曲線存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 光伏陣列I-V、P-V特性曲線

2 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

理想等效電路的輸出特性方程（1）可以很好的表達(dá)光伏陣列的輸出特性，但是由于式（1）中參數(shù)Iph,Io,Rs,Rsh，A不僅與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，而且確定這些參數(shù)也十分困難，因廠家提供的技術(shù)參數(shù)并不是一個(gè)適合于不同光照下的精確數(shù)據(jù)，所以利用上面公式建立數(shù)學(xué)模型不僅建立困難，而且其仿真應(yīng)用也收到很大限制，沒(méi)有多少實(shí)用價(jià)值。所以必須建立一種既實(shí)用又有較好精度的數(shù)學(xué)模型。

光伏電池廠商一般只提供這幾個(gè)技術(shù)參數(shù)：短路電流Isc、開(kāi)路電壓Voc、最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Vm、最大功率Pm。在特性方程（1）的基礎(chǔ)上，采取兩點(diǎn)近似，即

2）設(shè)定Iph=Isc，因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮琛?/p>

于是特性方程（1）可簡(jiǎn)化為

在最大功率點(diǎn)時(shí)，V=Vm，I=Im，可得

由于在常溫條件下 exp[Vm/(C2Voc)]>>1,可忽略式中的“-1”項(xiàng)，解出C1

注意到開(kāi)路狀態(tài)下，當(dāng)I=0時(shí)，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于 exp(1/C2)>>1，忽略式中的“-1”項(xiàng)，解出C2

不同的日照強(qiáng)度和電池溫度下的Isc、Voc、Im、Vm并不相同，通過(guò)下式（7）—（12）算出新日照強(qiáng)度和新電池溫度下的Is′c、Vo′c、Im′、Vm′，就可以根據(jù)式（4）、（6）得出C1和C2。最后由式（2）就可以確定特定調(diào)節(jié)下的光伏電池的I-V特性曲線。

其中，T為電池溫度，S為日照強(qiáng)度，α為Isc的溫度系數(shù)（缺省值＝0.0025/℃），β為Voc的無(wú)量綱的輻照量校正因子（缺省值＝0.5），γ為Voc的溫度系數(shù)（缺省值＝0.00288/℃）。

利用Matlab/Simulink軟件，對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。光伏組件我們選擇伊索菲通的 ISF-60/12,Pm=60wp+/-10%,Isc=3.73A,Voc=21.6V,Im=3.47A,Vm=17.3V。圖3是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，仿真結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比。仿真模型輸出的特性曲線與實(shí)際光伏陣列的曲線吻合得很好,平均誤差在5%之內(nèi)（定義相對(duì)誤差為δ=（I模型-I實(shí)際）/Isc×100%）[5]，光伏陣列模型很好地模擬了實(shí)際光伏陣列的特性。

圖3 光伏組件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Simulink模型結(jié)果誤差分析

3 光伏陣列模擬器的恒流源實(shí)現(xiàn)

基于上述光伏陣列模型的分析，我們以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備（PC、恒流源ITECH6153、電子負(fù)載ITECH8513、PCI采集卡等）為主，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光伏陣列模擬器，其連接結(jié)構(gòu)如圖4所示（其中，可控負(fù)載并不屬于模擬器，只是為了測(cè)試模擬器性能時(shí)使用）。儀器間的通信采用GPIB總線，其中，PC既是GPIB總線上的Controller又是Talker，恒流源和負(fù)載是GPIB總線上的Listener。

圖4 光伏陣列模擬器結(jié)構(gòu)圖

利用虛擬儀器的設(shè)計(jì)模式，PC上的軟件用LabView 8.2來(lái)實(shí)現(xiàn)。最終的程序界面如圖5所示。其工作原理是：首先要將在Simulink里建立的陣列模型和參數(shù)全部移植到LabView程序里，然后通過(guò)PCI采集卡將恒流源的輸出電壓值和輸出電流值傳到PC的LabView程序里，將電壓值作為陣列模型的輸入?yún)?shù)，輸出參數(shù)為在特定溫度和光照條件下的陣列電流，此時(shí)通過(guò)SCPI指令控制恒流源輸出計(jì)算出的陣列電流，由于負(fù)載不變，輸出電壓必然隨陣列電流正比變化，然后再次循環(huán)，檢測(cè)恒流源的電壓和電流，通過(guò)陣列模型計(jì)算陣列輸出電流。這樣利用電壓的閉環(huán)控制，最終找到I-V曲線上此時(shí)負(fù)載所對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，然后在軟件界面輸出此時(shí)模擬器的工作電壓、電流和功率。其程序流程圖如圖6所示。

圖5 光伏陣列模擬器控制程序界面

4 模擬器試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)光伏陣列模擬器帶載載運(yùn)行時(shí)，要求工作點(diǎn)電壓電流在環(huán)境調(diào)節(jié)變化時(shí)能夠較快做出響應(yīng)。

我們將陣列參數(shù)設(shè)置為Isc=3.73A,Voc=21.6V,Im=3.47A,Vm=17.3V，環(huán)境溫度設(shè)置在 25℃，而通過(guò)階躍信號(hào)模擬光照強(qiáng)度的變化。圖 7（a）和圖7（b）分別是當(dāng)光強(qiáng)由700W/m2突降到150W/m2和由400W/m2上升到900W/m2時(shí)，模擬器輸出電壓的動(dòng)態(tài)變化曲線。光照強(qiáng)度變化后，大約經(jīng)過(guò) 60ms建立了新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，且穩(wěn)態(tài)誤差較小，在允許范圍內(nèi)。響應(yīng)時(shí)間主要來(lái)自電流源對(duì)SCPI指令的響應(yīng)時(shí)間，其足以滿足模擬真實(shí)光伏陣列工作的需要。

圖7 光照強(qiáng)度變化時(shí)的輸出電壓曲線

5 結(jié)論

本文先在Matlab/Simulink里建立了一種實(shí)用的光伏陣列的仿真模型，并且驗(yàn)證了模型的正確性；然后利用利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備組成了一套光伏陣列的模擬器，由試驗(yàn)仿真結(jié)果可以看到，本模擬器可以較好的模擬出設(shè)定電池陣列的I-V曲線，能夠作為光伏電池及時(shí)提供給其他光伏發(fā)電系統(tǒng)，極大地方便了項(xiàng)目設(shè)計(jì)和課題研究。不過(guò)由于電流源和電信號(hào)采集電路并沒(méi)有經(jīng)過(guò)專門選擇和設(shè)計(jì)，使得陣列模擬功率受到一定限制，且穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓存在一定的小幅震蕩。如果選擇輸出功率較大精度較高的電流源及設(shè)計(jì)合適的采集電路，完全可以提高本文光伏陣列模擬器的性能。

[1] 趙爭(zhēng)鳴.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社, 2005: 1-2.

[2] 沈玉梁.跟隨樣品太陽(yáng)電池的光伏陣列模擬器[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 1997, 18(4).

[3] 韓朋樂(lè),黃建國(guó).數(shù)字式光伏陣列模擬器的設(shè)計(jì)研究[J].電子元器件應(yīng)用, 2008, 10(11).

[4] 李欣,林平.數(shù)字式光伏陣列模擬器的研制[D].浙江大學(xué), 2007.5.

[5] 蘇建徽,余世杰.硅太陽(yáng)電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2001, 22(4): 409-412.

[6] IEC 62124-2004,獨(dú)立光伏系統(tǒng)-設(shè)計(jì)驗(yàn)證[S].