基于太陽能電池陣列仿真器的獨立光伏發電系統平衡點研究

摘要：文中提出通過使用太陽電池陣列仿真器模擬實際太陽電池陣列輸出電參數，通過控制電能的釋放和消耗搭建獨立光伏發電系統，經過試驗數據計算得出獨立光伏發電系統平衡點。設計的獨立光伏發電系統能對系統性能進行準確評估，對系統能量儲存和能量管理設備的設計具有指導性，可以平衡系統的容量和負載的消耗需求。文中研制的試驗系統為獨立光伏發電系統的設計容量評估提出了新思路。

關鍵詞：太陽能電池陣列仿真器；獨立光伏發電系統；平衡點

Research on Balance Point of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on Using a Solar Cell Array Simulator

YOU Hongliang1，2， HE Xiang1，2， LUO Jun1

（ 1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350001， Fujian， China ）

（ 2 National PV Industry Measurement and Testing Center， Fuzhou 350001， Fujian， China ）

Abstract： The article proposes using a solar cell array simulator to mimic the actual output electrical parameters of a solar cell array， and to build an independent photovoltaic power generation system by controlling the release and consumption of electrical energy， and calculating the equilibrium point of the independent photovoltaic power generation system through experimental data. The designed independent photovoltaic power generation system can accurately evaluate the system performance， provide guidance for the design of energy storage and energy management equipment， and balance the capacity and load consumption needs of the system. The experimental system developed in the article proposes new ideas for the design capacity evaluation of independent photovoltaic power generation systems.

Key Words： Solar cell array simulator; Independent photovoltaic power generation system; Equilibrium point

0 前言

獨立光伏發電系統是相對于并網光伏發電系統而言的，屬于孤立的發電系統。孤立系統主要應用于偏遠無電地區，其建設的主要目的是解決無電問題。其供電可靠性受氣象環境、負荷等因素影響很大，供電穩定性也相對較差，很多時候需要加裝能量儲存和能量管理設備，且要求系統的設計容量滿足負載的消耗需求。

系統平衡點[1]為平均的最小輻照量與負載的平衡點，即太陽電池陣列發電量效率曲線與負載曲線的交點。根據系統平衡點可以得出獨立光伏發電系統在安裝地點正常運行的最小平均輻照量。但目前獨立光伏發電系統容量設計是依照經驗值進行核算，缺乏可靠的測試驗證平臺，且尚未對測試系統的具體結構和性能作出詳細規定，因此無法對測試結果進行評定，影響測試結果的準確性。因此，設計具有較高準確度和通用性的設計驗證平臺是十分必要的。獨立光伏發電系統平衡點的確定不僅能夠對系統性能進行準確評估，還可以有效指導系統設計，以更加合理、經濟的方式對獨立光伏系統進行配置。

文中針對獨立光伏發電系統平衡點的計算原理，通過太陽電池陣列仿真器模擬實際太陽電池陣列輸出電參數，搭建獨立光伏發電系統，其中太陽能電池陣列模擬器是利用實際電路來模擬太陽能電池陣列的輸出特性，使實際電路的輸出I-V特性能與所模擬的太陽能電池陣列一致，使得該電路可替代其進行試驗。根據IEC 62124-2004 《Photovoltaic（PV）stand-alone systems - Design verification》［光伏（PV）獨立系統-設計驗證］與GB/T 33766-2017《獨立太陽能光伏電源系統技術要求》的試驗方法，得出系統蓄電池的安培時數（電池容量單位：A·h），從而繪制獨立發電光伏系統的工作特性圖，計算得出獨立光伏發電系統平衡點。經實驗室試驗，該方法能得出獨立光伏發電系統在安裝地點正常運行的最小平均輻照量。

1 基于太陽能電池陣列仿真器的獨立

光伏發電系統

1.1太陽電池陣列仿真器程序的編寫

根據試驗要求，使用便攜式IV曲線測試儀測得在不同輻照度下（100 、200 、500 、700 W/m2）太陽電池陣列（由于試驗時間較長，為考慮實驗室和人員操作安全，選取單塊太陽電池組件）對應的I-V特性數據并保存，該太陽電池組件型號為TS-320P005，最大功率為320 W，開路電壓為45.3 V，短路電流為15.6 A。不同輻照度下太陽電池陣列I-V特性數據如表1所示。

采用MATLAB的Table模式讓太陽電池陣列仿真器模擬太陽電池陣列對應的I-V特性數據。根據配置說明，設置LAN通信參數，連接電腦和仿真器，并創建表格。由于需要模擬不同輻照度條件的太陽電池陣列I-V特性數據，需要在仿真器內創建多個表格，與輻照度對應。編輯表內的I-V的電流和電壓值，使得每個表內的電流電壓值與對應的太陽電池陣列對應的I-V特性數據一致。

1.2 獨立光伏發電系統的搭建

通過太陽電池陣列仿真器提供模擬太陽電池陣列的輸出直流源，MPPT太陽能控制器根據工作情況對直流電源進行控制，向蓄電池充電或釋放蓄電池內的能量。為了能夠模擬不同負載下的耗電情況，使用可調放電速率的電氣負載模擬負載消耗電能。獨立光伏發電系統線路如圖1所示。

電氣線路（用實線表示）：將太陽能電池陣列仿真器與MPPT（最大功率點跟蹤）太陽能控制器[2]相連，MPPT太陽能控制器的一個輸出端與分流器、電氣負載[3]相連，另一個輸出端與分流器、蓄電池相連。

其中：MPPT太陽能控制器能夠實時偵測太陽能電池陣列的發電電壓，并追蹤最高電壓電流值，協調太陽能電池陣列、蓄電池、負載的工作，使系統以最大功率輸出對蓄電池充電，是光伏發電系統的大腦。MPPT太陽能控制器在搭建獨立光伏發電系統的電氣線路中可以設置蓄電池的電壓保護閾值，防止蓄電池過充過放，避免蓄電池使用壽命縮短，影響試驗正常運行。

分流器是一種測量直流電流用的儀器，根據直流電流通過電阻時在電阻兩端產生電壓的原理制成，內部是一個能夠通過極大電流的電阻。在系統電器線路中，分流器用于模擬量采集模塊采集充入蓄電池的安培時數，同時監控負載回路的電流損耗。

電氣負載是電路中接收電能的設備，包括引擎、燈泡、空調、電動機等可消耗功率的元件，在系統電氣線路中采用蓄電池放電容量測試儀作為電氣負載。電氣負載在運行時所產生、轉換、消耗的功率，模擬實際負載消耗低能，并能根據試驗需要更改放電流參數，從而調整蓄電池的放電速率。同時電氣負載能對回路電壓電流進行監控，保證系統在正常狀態下運行。

信號線路（用虛線表示）：將模擬量采集模塊的采集端口分別連接到分流器、蓄電池，分別監控其電壓電流、溫度，確保系統處于正常狀態下運行。將數字量輸入/輸出模塊與MPPT太陽能控制器相連，用于在實驗中控制線路的切換。再將模擬量采集模塊、數字量輸入/輸出模塊連接到控制器。

將太陽能電池陣列仿真器、控制器連接到電腦，通過監控軟件查看操控系統的參數和線路狀態。

2 基于太陽能電池陣列仿真器的獨立

光伏發電系統平衡點

2.1試驗實施

根據標準試驗要求，需對蓄電池進行初始容量試驗和充電循環試驗完成后，再開啟系統功能試驗。

開啟太陽電池陣列仿真器，使其按照預先寫入的程序輸出，讓系統正常工作10天。每天試驗時間不要求達到24 h，因為負載工作和光伏充電之間不需要間歇，具體每天的循環步驟按照表1進行。試驗循環內包括連續2天的低輻照量[＜2 kW·h/（m2·d）]和3個顯著不同的日輻照量。需要用這3個輻照量畫出系統特性圖，并由此推導出系統平衡點，還需要兩個輻照量與比系統平衡點更高的輻照量相對應。10天的平均日輻照量需在[4 kW·h/（m2·d）±

0.3 kW·h/（m2·d）]范圍內。

2.2獨立光伏發電系統平衡點確定分析

在進行系統功能試驗時，蓄電池已處于充滿狀態。在試驗中仿真器程序模擬輻照度變化，輸出的電壓電流也隨之變化，蓄電池會處于放電或充電狀態。

在蓄電池沒有充滿時，充入蓄電池能量為仿真器輸出與電氣負載消耗的差值。當電氣負載消耗為定值時，充入蓄電池能量與仿真器輸出能量成正相關。由于仿真器輸出的能量正比于輻照度，可知充入蓄電池能量與輻照度的關系曲線為斜線。該曲線的下方區域可為系統正常運行區域；在蓄電池充滿時，則可知仿真器輸出能量大于電氣負載消耗且蓄電池滿足電氣負載需求，即充入蓄電池能量為電氣負載消耗能量。在此狀態下，蓄電池的輸入和輸出處于平衡狀態，其關系曲線為直線。該直線上方區域可為系統正常運行區域。

斜線是由原點和MPPT太陽能控制器不限制仿真器輸出到蓄電池能量在試驗天數中的最大安培時數繪制得到的。水平直線是通過MPPT太陽能控制器限制仿真器輸出到蓄電池能量，在試驗天數中的最小安培時數繪制得到的。直線和斜線的交點為平均的最小輻照量與負載的平衡點，即為系統平衡點。根據系統功能試驗得到的結果，可以得到系統特征圖，其中Y軸為每日流入蓄電池的安培時數，X軸為輻照度[4]，并且以圖形方式給出系統可以正常工作地點的最小平均輻照度。

根據模擬量采集模塊采集到流入蓄電池的安培時數，并通過曲線擬合繪制獨立光伏發電系統平衡點圖。

由獨立光伏發電系統平衡點圖（見圖4）（曲線公式采用EXCEL的最小二乘法曲線擬合生成）可知，平衡點為：3.8 kW·h/（m2·d）。即該獨立光伏發電系統在安裝地點正常運行的最小平均輻照量需不低于3.8 kW·h/（m2·d）。

3 結論

文中使用太陽電池陣列仿真器模擬實際太陽電池陣列，通過與MPPT太陽能控制器相連控制蓄電池充電和電氣負載消耗，同時用模擬量采集模塊監控系統電壓電流、溫度，搭建模擬獨立光伏的發電系統，按照IEC 62124-2004標準要求進行試驗，經過試驗數據計算得出獨立光伏發電系統平衡點，能適用于安裝地點已建成的光伏發電系統正常運行的最小平均輻照量。文中設計的獨立光伏發電系統既能保證系統以最佳狀態運行，也能優化系統建設配置，為研制的試驗系統為獨立光伏發電系統的設計容量評估提出了新思路。

參考文獻

[1]鄒新京，邊莉，翟永輝. 獨立光伏發電系統檢測標

準介紹[J]. 太陽能，2006，（04）：38-39.

[2]楊晶惠，庹先國，呂中云，榮文鉦.光伏發電系統

最大功率跟蹤控制器的實現[J].自動化與儀表，

2016，（02）：17-21.

[3]趙杰，周智鵬，楚肖風.智能小型斷路器典型小負載

電氣特性分析[J]. 電器與能效管理技術，2021，（02）：

45-47+74.

[4]中國標準化研究院.獨立太陽能光伏電源系統技術

要求：GB/T 33766-2017[S].北京：中國標準出版社，

2017：6.