一種新型光伏陣列模擬器的設計研究

魯志平 王 東

（保定天威風電科技有限公司，河北 保定 071051）

隨著能源危機和環境污染的日益嚴重，光伏發電作為新能源利用的主要方式，其研究和應用正迎來一個高潮。但光伏發電系統在設計安裝和測試時，如果使用真實光伏陣列進行現場測試，不僅成本高、難度大，且難以實現各種環境條件下系統的運行狀況。而光伏陣列模擬器可以模擬出各種環境條件下光伏陣列的輸出特性，從而為發電系統的測試帶來極大方便[1]。

現有的光伏陣列模擬器主要分為模擬式和數字式兩種。文獻[2]提出了一種模擬式的光伏陣列模擬器，主要由可控光源、溫控設備、樣品光伏電池和電流放大裝置構成，通過調節光源的光照強度和工作溫度，模擬自然條件下光伏電池的工作環境。用戶通過檢測經過放大的光生電流來模擬真實光伏陣列的輸出特性。這種模擬器的主要缺點是：人造光源難以在光的頻譜構成和光照強度方面模擬太陽光，而且放大電流誤差較大，硬件設計復雜。文獻[3-4]提出了數字式光伏陣列模擬器的設計方法，主要是使用單片機或DSP作為控制部分，將光伏陣列在各種環境條件下的輸出曲線存儲在內部，使用高頻開關電源模擬光伏陣列的功率輸出特性。這些模擬器的缺點在于所存儲的特性曲線是經過擬合和近似的，模擬功率范圍越大，開關電源設計越復雜，開發周期越長。本文提出了另外一種數字式光伏陣列模擬器的設計方法，利用實驗室現有的計算機和恒流源等設備以及虛擬儀器技術設計光伏陣列模擬器的快速方法，具有開發時間短，操作方便，精度高的特點。

1 光伏電池特性

太陽能電池單體是一種能夠將太陽光中的輻射能量轉換為電能的半導體裝置。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結自身在外電壓的作用下流過的擴散電流；Rsh為等效并聯電阻，形成的原因主要是漏電流所對應的P-N結漏泄電阻；Rs為等效串聯電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導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為流過等效并聯電阻的電流；Io為 P-N結反向飽和電流；A為P-N結曲線參數；T為絕對溫度，K為玻爾茲曼常數。

光伏陣列是由數個光伏電池元件組成，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，與傳統的直流電源有很大區別。其電源特性在工作范圍變化很大，隨著工作狀態變化，光伏陣列的功率-端電壓（電流）曲線存在一個最大功率點，如圖2所示。

圖2 光伏陣列I-V、P-V特性曲線

2 光伏電池的數學模型

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

光伏電池廠商一般只提供這幾個技術參數：短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Vm、最大功率Pm。在特性方程（1）的基礎上，采取兩點近似，即

2）設定Iph=Isc，因為在通常情況下Rs遠小于二極管正向導通電阻。

于是特性方程（1）可簡化為

在最大功率點時，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，解出C1

注意到開路狀態下，當I=0時，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于 exp(1/C2)>>1，忽略式中的“-1”項，解出C2

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

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

利用Matlab/Simulink軟件，對上述模型進行驗證。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是在標準測試條件下，仿真結果和實際數據的對比。仿真模型輸出的特性曲線與實際光伏陣列的曲線吻合得很好,平均誤差在5%之內（定義相對誤差為δ=（I模型-I實際）/Isc×100%）[5]，光伏陣列模型很好地模擬了實際光伏陣列的特性。

圖3 光伏組件實驗數據與Simulink模型結果誤差分析

3 光伏陣列模擬器的恒流源實現

基于上述光伏陣列模型的分析，我們以實驗室現有儀器設備（PC、恒流源ITECH6153、電子負載ITECH8513、PCI采集卡等）為主，設計實現了光伏陣列模擬器，其連接結構如圖4所示（其中，可控負載并不屬于模擬器，只是為了測試模擬器性能時使用）。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，恒流源和負載是GPIB總線上的Listener。

圖4 光伏陣列模擬器結構圖

利用虛擬儀器的設計模式，PC上的軟件用LabView 8.2來實現。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全部移植到LabView程序里，然后通過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參數，輸出參數為在特定溫度和光照條件下的陣列電流，此時通過SCPI指令控制恒流源輸出計算出的陣列電流，由于負載不變，輸出電壓必然隨陣列電流正比變化，然后再次循環，檢測恒流源的電壓和電流，通過陣列模型計算陣列輸出電流。這樣利用電壓的閉環控制，最終找到I-V曲線上此時負載所對應的工作點，然后在軟件界面輸出此時模擬器的工作電壓、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 模擬器試驗結果

當光伏陣列模擬器帶載載運行時，要求工作點電壓電流在環境調節變化時能夠較快做出響應。

我們將陣列參數設置為Isc=3.73A,Voc=21.6V,Im=3.47A,Vm=17.3V，環境溫度設置在 25℃，而通過階躍信號模擬光照強度的變化。圖 7（a）和圖7（b）分別是當光強由700W/m2突降到150W/m2和由400W/m2上升到900W/m2時，模擬器輸出電壓的動態變化曲線。光照強度變化后，大約經過 60ms建立了新的穩態工作點，且穩態誤差較小，在允許范圍內。響應時間主要來自電流源對SCPI指令的響應時間，其足以滿足模擬真實光伏陣列工作的需要。

圖7 光照強度變化時的輸出電壓曲線

5 結論

本文先在Matlab/Simulink里建立了一種實用的光伏陣列的仿真模型，并且驗證了模型的正確性；然后利用利用實驗室現有的儀器設備組成了一套光伏陣列的模擬器，由試驗仿真結果可以看到，本模擬器可以較好的模擬出設定電池陣列的I-V曲線，能夠作為光伏電池及時提供給其他光伏發電系統，極大地方便了項目設計和課題研究。不過由于電流源和電信號采集電路并沒有經過專門選擇和設計，使得陣列模擬功率受到一定限制，且穩態時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計合適的采集電路，完全可以提高本文光伏陣列模擬器的性能。

[1] 趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用[M].北京:科學出版社, 2005: 1-2.

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

[3] 韓朋樂,黃建國.數字式光伏陣列模擬器的設計研究[J].電子元器件應用, 2008, 10(11).

[4] 李欣,林平.數字式光伏陣列模擬器的研制[D].浙江大學, 2007.5.

[5] 蘇建徽,余世杰.硅太陽電池工程用數學模型[J].太陽能學報, 2001, 22(4): 409-412.

[6] IEC 62124-2004,獨立光伏系統-設計驗證[S].