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(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

隨著煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的日益短缺，研究和開發(fā)太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿刃履茉闯蔀槭澜绺鲊鴱V泛關(guān)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(qiáng)度、環(huán)境溫度等自然條件影響，無法在實(shí)驗(yàn)室等特殊場合進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究。因此，有必要設(shè)計(jì)一種光伏電池模擬器，以模擬實(shí)際光伏電池在不同環(huán)境條件下的輸出特性。

目前，光伏電池模擬器的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩類：模擬式模擬器和數(shù)字式模擬器[2]。前者采用模擬電路實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出特性的模擬，通過線性或開關(guān)電路調(diào)節(jié)其輸出功率[3-5]。后者采用數(shù)字電路，利用查表、實(shí)時(shí)計(jì)算、曲線擬合等方法實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出特性的模擬，通過DC-DC開關(guān)變換電路調(diào)節(jié)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(huán)境條件下光伏電池的輸出特性；數(shù)字式模擬器精度較高，計(jì)算量大，對(duì)存儲(chǔ)空間和實(shí)時(shí)性要求較高。文獻(xiàn)[3]基于光伏電池的數(shù)學(xué)模型，采用由運(yùn)算放大器和二極管構(gòu)成的減法器電路，實(shí)現(xiàn)了與真實(shí)光伏電池相同的I-U特性曲線。文獻(xiàn)[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(gòu)成的模擬電路，分別利用4個(gè)串聯(lián)二極管和1塊光伏電池實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)電路。該電路由1個(gè)恒定電流源和n個(gè)串聯(lián)二極管并聯(lián)組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結(jié)的非線性特性，通過調(diào)節(jié)電流源的電流和二極管的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同光照和溫度下光伏電池輸出特性的模擬。根據(jù)光伏電池模擬器的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境中建立了光伏電池模擬器仿真模型。計(jì)算機(jī)仿真和電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)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(dǎo)體光電器件，能夠?qū)⑷肷涮柲苻D(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏?，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(jù)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(guān)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(zhì)因子（當(dāng)T=300 K時(shí)，A=2.8）；k為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；q為電子電荷（1.6×10-19C）；Rs為等效串聯(lián)電阻（小于1Ω）；Rsh為等效并聯(lián)電阻（幾千歐）。

光伏電池的輸出特性易受光照強(qiáng)度S和電池溫度T影響。本文針對(duì)BCT10-12M型光伏電池組件（其電性能參數(shù)如表1所示），根據(jù)文獻(xiàn)[8]所給光伏電池工程數(shù)學(xué)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(dāng)溫度不變時(shí)，短路電流隨光照增強(qiáng)顯著增大，兩者成線性關(guān)系，開路電壓隨光照增強(qiáng)略有增加，最大功率隨光照增強(qiáng)顯著增大。由圖2（b）可知，當(dāng)光照不變時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)測試條件下BCT10-12M型光伏電池組件電性能參數(shù)

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(shí)現(xiàn)

由于光伏電池的串聯(lián)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(dǎo)通壓降UD。當(dāng)光伏電池輸出端口短路時(shí)，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(gòu)建了一個(gè)模擬光伏電池輸出特性的光伏電池模擬器的簡單實(shí)現(xiàn)電路，如圖3所示。該電路由1個(gè)恒定電流源和n個(gè)串聯(lián)二極管并聯(lián)組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結(jié)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(fù)整流二極管，其最大正向電流可達(dá)8 A，并聯(lián)電阻Rsh阻值為10 kΩ，串聯(lián)電阻Rs阻值為1Ω。

圖3 光伏電池模擬器的實(shí)現(xiàn)電路

當(dāng)n個(gè)串聯(lián)二極管導(dǎo)通工作時(shí)，由于所有二極管的特性完全相同，因此每個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降等于總電壓UD的n分之一。根據(jù)二極管的伏安特性，可得到二極管串聯(lián)電路電流ID與電壓UD的關(guān)系為：

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

圖4 二極管串聯(lián)電路的伏安特性曲線

將（2）式代入（1）式，并忽略串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)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(diào)節(jié)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(guān)K1～Kn改變串聯(lián)二極管的個(gè)數(shù)n，調(diào)節(jié)其總導(dǎo)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

根據(jù)公式（3），在MATLAB/Simuink環(huán)境下建立了光伏電池模擬器的仿真模型，如圖5所示。針對(duì)BCT10-12M型光伏電池組件，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可知，當(dāng)二極管個(gè)數(shù)不變時(shí)，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(dāng)電流源電流不變時(shí)，隨著二極管個(gè)數(shù)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(jié)果可知，通過調(diào)節(jié)電流源電流和二極管個(gè)數(shù)，采用本文所設(shè)計(jì)光伏電池模擬器，可實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)光伏電池模擬器的有效性，在其輸出端口外接一個(gè)負(fù)載電阻RL，進(jìn)行了電路實(shí)驗(yàn)研究。調(diào)節(jié)負(fù)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(duì)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到圖7所示的實(shí)驗(yàn)曲線。由圖7（a）可知，當(dāng)二極管個(gè)數(shù)不變時(shí)，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(dāng)電流源電流不變時(shí)，隨著二極管個(gè)數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所設(shè)計(jì)光伏電池模擬器，可有效地模擬不同光照和溫度下實(shí)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(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

由于受成本、場地、自然環(huán)境等條件所限，無法在實(shí)驗(yàn)室等特殊場合采用實(shí)際光伏電池進(jìn)行可重復(fù)性實(shí)驗(yàn)研究，因此有必要設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電路。該電路由1個(gè)恒定電流源和n個(gè)串聯(lián)二極管并聯(lián)組成，其原理是利用不同組合的二極管P-N結(jié)的非線性特性，通過調(diào)節(jié)電流源的電流和二極管的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同光照和溫度下光伏電池輸出特性的模擬。計(jì)算機(jī)仿真與電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)光伏電池模擬器的有效性。

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