一種簡單的光伏電池模擬器

陶 瑞，梁占紅，高金峰，張 銳

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州 450001）

隨著煤炭、石油、天然氣等傳統能源的日益短缺，研究和開發太陽能、風能、地熱能等新能源成為世界各國廣泛關注的重大問題。作為一種重要的綠色新能源，太陽能取之不盡，不受地域限制，在照明、家電、交通、通信、太空等眾多領域得到廣泛應用[1]。由于太陽能光伏電池體積大、成本高，其輸出特性易受光照強度、環境溫度等自然條件影響，無法在實驗室等特殊場合進行重復性實驗研究。因此，有必要設計一種光伏電池模擬器，以模擬實際光伏電池在不同環境條件下的輸出特性。

目前，光伏電池模擬器的實現方式主要有兩類：模擬式模擬器和數字式模擬器[2]。前者采用模擬電路實現光伏電池輸出特性的模擬，通過線性或開關電路調節其輸出功率[3-5]。后者采用數字電路，利用查表、實時計算、曲線擬合等方法實現光伏電池輸出特性的模擬，通過DC-DC開關變換電路調節其輸出功率[6-7]。模擬式模擬器電路簡單，成本低廉，可模擬不同環境條件下光伏電池的輸出特性；數字式模擬器精度較高，計算量大，對存儲空間和實時性要求較高。文獻[3]基于光伏電池的數學模型，采用由運算放大器和二極管構成的減法器電路，實現了與真實光伏電池相同的I-U特性曲線。文獻[4]基于光伏電池的等效電路，采用由電壓控制電流源和電壓控制電壓源構成的模擬電路，分別利用4個串聯二極管和1塊光伏電池實現了光伏電池的I-U特性曲線。

本文基于光伏電池的輸出特性，提出了一種模擬光伏電池輸出特性的光伏電池模擬器實現電路。該電路由1個恒定電流源和n個串聯二極管并聯組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結的非線性特性，通過調節電流源的電流和二極管的個數，實現不同光照和溫度下光伏電池輸出特性的模擬。根據光伏電池模擬器的數學模型，在MATLAB/Simulink環境中建立了光伏電池模擬器仿真模型。計算機仿真和電路實驗結果驗證了所設計光伏電池模擬器的有效性。

1 光伏電池的輸出特性

光伏電池是一種半導體光電器件，能夠將入射太陽能轉變為光電流，其輸出特性可用圖1所示的等效電路來描述。

圖1 光伏電池的等效電路

根據基爾霍夫電流定律，可推得光伏電池輸出電流I與電壓U的關系為：

式中：Iph為光伏電池的光生電流；I0為二極管反向飽和電流；T為光伏電池的溫度；A為二極管品質因子（當T=300 K時，A=2.8）；k為玻爾茲曼常數（1.38×10-23J/K）；q為電子電荷（1.6×10-19C）；Rs為等效串聯電阻（小于1Ω）；Rsh為等效并聯電阻（幾千歐）。

光伏電池的輸出特性易受光照強度S和電池溫度T影響。本文針對BCT10-12M型光伏電池組件（其電性能參數如表1所示），根據文獻[8]所給光伏電池工程數學模型，通過MATLAB/Simulink仿真得到其在不同光照和溫度下的輸出特性曲線，如圖2所示。由圖2（a）可知，當溫度不變時，短路電流隨光照增強顯著增大，兩者成線性關系，開路電壓隨光照增強略有增加，最大功率隨光照增強顯著增大。由圖2（b）可知，當光照不變時，開路電壓隨溫度升高顯著降低，短路電流隨溫度升高略有增加，最大功率隨溫度升高顯著降低。

表1 標準測試條件下BCT10-12M型光伏電池組件電性能參數

圖2 不同光照和溫度下BCT10-12M型光伏電池組件的輸出特性曲線

2 光伏電池模擬器電路實現

由于光伏電池的串聯電阻Rs很小，若忽略Rs的影響，則開路電壓UOC近似等于二極管D的導通壓降UD。當光伏電池輸出端口短路時，由于流過二極管D的反向漏電流非常小，因此短路電流ISC近似等于光生電流Iph。基于這一特性，本文構建了一個模擬光伏電池輸出特性的光伏電池模擬器的簡單實現電路，如圖3所示。該電路由1個恒定電流源和n個串聯二極管并聯組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結的非線性特性。選用恒定電流源Iph作為電路的輸入，二極管D1～Dn選用MUR8100超快恢復整流二極管，其最大正向電流可達8 A，并聯電阻Rsh阻值為10 kΩ，串聯電阻Rs阻值為1Ω。

圖3 光伏電池模擬器的實現電路

當n個串聯二極管導通工作時，由于所有二極管的特性完全相同，因此每個二極管的導通壓降等于總電壓UD的n分之一。根據二極管的伏安特性，可得到二極管串聯電路電流ID與電壓UD的關系為：

式中：A、k、T、q 和 I0均為常數。對于 MUR8100 二極管，當T=298 K時，反向飽和電流I0=25μA。根據(2)式，采用MATLAB軟件仿真，得到圖4所示的二極管串聯電路伏安特性曲線。由圖4可知，在導通電流ID保持不變的情況下，二極管總導通壓降UD隨其個數n的增加而增大，兩者成正比關系。

圖4 二極管串聯電路的伏安特性曲線

將（2）式代入（1）式，并忽略串聯電阻Rs和并聯電阻Rsh的影響，可以得到光伏電池模擬器的輸出特性方程為：

通過調節電流源Iph的輸出電流，可以模擬光伏電池短路電流ISC隨光照的變化情況。通過開關K1～Kn改變串聯二極管的個數n，調節其總導通壓降UD，可以模擬光伏電池開路電壓UOC隨溫度的變化情況。

3 仿真與實驗驗證

3.1 計算機仿真驗證

根據公式（3），在MATLAB/Simuink環境下建立了光伏電池模擬器的仿真模型，如圖5所示。針對BCT10-12M型光伏電池組件，進行了計算機仿真研究，仿真結果如圖6所示。由圖6（a）可知，當二極管個數不變時，隨著電流源電流的不斷增大，短路電流不斷增大，開路電壓略有增加，最大功率不斷增大。由圖6（b）可知，當電流源電流不變時，隨著二極管個數的不斷減小，開路電壓不斷減小，短路電流基本不變，最大功率不斷減小。由仿真結果可知，通過調節電流源電流和二極管個數，采用本文所設計光伏電池模擬器，可實現不同光照和溫度下光伏電池輸出特性的模擬。

圖5 光伏電池模擬器的MATLAB/Sim ulink仿真模型

圖6 不同光照和溫度下光伏電池模擬器的仿真曲線

3.2 電路實驗驗證

為了驗證本文所設計光伏電池模擬器的有效性，在其輸出端口外接一個負載電阻RL，進行了電路實驗研究。調節負載電阻RL，使其阻值從0～10 kΩ變化，測定流過RL的電流I及其兩端電壓U。采用MATLAB軟件對實驗測量數據進行擬合處理，得到圖7所示的實驗曲線。由圖7（a）可知，當二極管個數不變時，隨著電流源電流的不斷增大，短路電流不斷增大，開路電壓略有增加，最大功率不斷增大。由圖7（b）可知，當電流源電流不變時，隨著二極管個數的不斷減小，開路電壓不斷減小，短路電流基本不變，最大功率不斷減小。實驗結果表明，采用本文所設計光伏電池模擬器，可有效地模擬不同光照和溫度下實際光伏電池的輸出特性。

圖7 不同光照和溫度下光伏電池模擬器的實驗曲線

4 結論

由于受成本、場地、自然環境等條件所限，無法在實驗室等特殊場合采用實際光伏電池進行可重復性實驗研究，因此有必要設計一種光伏電池模擬器。本文基于光伏電池的輸出特性，提出了一種光伏電池模擬器簡單實現電路。該電路由1個恒定電流源和n個串聯二極管并聯組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結的非線性特性，通過調節電流源的電流和二極管的個數，實現不同光照和溫度下光伏電池輸出特性的模擬。計算機仿真與電路實驗結果驗證了本文所設計光伏電池模擬器的有效性。

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