【文章內(nèi)容簡介】 能電池具有獨特的 IV 特性，該特性由太陽能電池材料的物理特性所決定。如 下圖是太陽能單體工作的輸出特性。 圖 太陽能光伏電池的 IV 特性曲線 光伏電池由于其受外界影響因素(溫度、光照等) 很多,且其輸出具有非線性特性, 的伏安(電壓電流) 特性。從特性曲線看,太陽能電池在不同的光照強度下和 11 不同的環(huán)境溫度下的伏安特性曲線大致的形狀是一樣的，也就是說太陽能電池的伏安 特性曲線可以劃分三個區(qū)域，恒流源區(qū)、最大功率區(qū)以及恒壓源區(qū)。 為了能更加具體的說明， 圖看出。圖中曲線為太陽能電池不同的測量點所組成。直線是負載電阻的IV特性，兩 者的交點即為太陽電池的工作點，也即工作點的電壓－電流即符合太陽電池的IV特性 又符合負載自身的IV特性。當(dāng)工作負載發(fā)生變化時，工作狀態(tài)亦發(fā)生變化，但是變化 的軌跡沿著特定的曲線完成。不同的曲線代表不同的光強下的變化。在實際使用時， 負載往往工作在最大功率點附近。 I 恒流源區(qū)域 最大功率區(qū) 域 (VA,IA) A 工作點 M (VM,IM) (VB,IB) B 恒壓源區(qū)域 V 圖 太陽能光伏電池單體輸出特性曲線 2．2．3．2 光伏電池等效電路和數(shù)學(xué)模型[2426] 當(dāng)受光照射的太陽能光伏電池接上負載時，光生電流流經(jīng)負載，并在負載兩端建 立起端電壓，這時太陽能光伏電池的工作情況可用圖 所示等效電路來描述。圖中 把太陽能光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流 IL 的電流源(只要光源穩(wěn)定)，與之并聯(lián)的 有一個處于正偏壓下的二極管及一個并聯(lián)電阻 Rsh(也稱跨接電阻)。顯然，二極管的正 向電流 ID 和旁路電流 Ish 都要靠 IL 提供， 剩余的光電流經(jīng)過一個串聯(lián)電阻 Rs 流出太陽能 電池而進入負載 RL。對于實際的太陽能電池，應(yīng)當(dāng)把它看成由很多個具有這種等效電 路結(jié)構(gòu)的電池單元(也稱于電池)并聯(lián)而成，因而應(yīng)當(dāng)把如圖 所示的等效電路中的 各個參量視為集中參量(即各子電池參量的總和)。 12 圖 光伏電池等效電路圖 由于器件的瞬時響應(yīng)時間與絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)相比微不足道，因此 結(jié)電容 Cj 在分析中可以忽略。設(shè)定圖中所示的電壓、電流正方向，可以得出太陽能電 池的 IV 方程為 I = I L ? I D ? I sh = I L ? I 0 (e q (V + IRs ) / AkT ? 1) ? 式中： I L — 光生電流(A)。 I 0 — 反向飽和電流(A)。 V + IRs Rsh （2－1） A — 二極管因子: Rs — 太陽能電池串聯(lián)電阻。 Rsh — 太陽能電池的并聯(lián)電阻。 q — 電子電荷，10－19C。 K — 玻耳茲曼常數(shù)，1. 38 10－23J/K。 V 一太陽能電池的輸出電壓。 I — 太陽能電池的輸出電流。 T —絕對溫度 該模型具有清晰的物理意義，與工藝上的控制有明確的對應(yīng)關(guān)系。如太陽能電池 的光生電流IL與電池片的表面反射、柵線的遮光面積和光譜響應(yīng)等相對應(yīng)。二極管飽和 電流I0與PN結(jié)的特性、原材料的缺陷等相對應(yīng)。太陽能電池的串聯(lián)電阻Rs描述了包括基 13 體的電阻、擴散薄層的電阻和柵線與太陽能電池的接觸電阻等。太陽能電池的并聯(lián)電阻 Rsh描述了太陽能電池周邊擴散層去除的程度和導(dǎo)電離子的玷污而引入的線性電阻。 式(2－1)是基于物理原理的最基本的解析表達式，已被廣泛應(yīng)用于太陽電池的理 論分析中，但由于表達式中的 5 個參數(shù)，包括 IL、I0, Rs、Rsh 和 A，它們不僅與電池溫 度和日射強度有關(guān)，而且確定十分困難，因此不便于工程應(yīng)用，也不是太陽電池供應(yīng) 商向用戶提供的技術(shù)參數(shù)。 2．2．3．3太陽能光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型 由于上述太陽能光伏電池的數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)難以確定，因此在學(xué)習(xí)研究過程中， 我們需要更簡單可靠、實用性強的數(shù)學(xué)模型。滿足工程應(yīng)用精度且便于運算的光伏電 池數(shù)學(xué)模型已經(jīng)在原模型之上提出來了。工程用光伏電池模型通常僅采用供應(yīng)商提供 的幾個重要技術(shù)參數(shù),如Isc、Voc 、Im、Vm、Pm,就能在一定的精度下復(fù)現(xiàn)陣列的特性,并 能便于計算機分析。 以下將在基本解析表達式（2－1）的基礎(chǔ)上,通過兩點近似,即 1) 忽略(V+IRs)/Rsh項,這是因為在通常情況下該項遠小于光電流。 2) 設(shè)定IL=Isc,這是因為在通常情況下Rs遠小于二極管正向?qū)娮?并定義在: ①開路狀態(tài)下, I = 0 ,V = Voc 。 ②最大功率點,V = Vm , I = Im 的條件下建立硅光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型。按此,光伏電池的I—V方程可簡化為： I = I sc (1 ? C1[eV /( C2Voc ) ? 1]) （2－2） 在最大功率點時, V = Vm , V = Vm,可得 I m = I sc (1 ? C1[eVm /(C2Voc ) ? 1]) （2－3） 由于在常溫下 eVm /(C2Voc ) 1,可忽略式中的“－1”項，解出C1 C1 = (1 ? I m / I sc )e Vm C2Voc （2－4） 1 開路時，I = 0,V = Voc， 0 = I sc [1 ? (1 ? I m / I sc )e Vm C2Voc (e C2 ? 1) (2－5) 由于 e 1，忽略式中的“－1”項，解出C2 C2 = (Vm / Voc ? 1)[ln(1 ? I m / I sc )]?1 1 C2 （2－6） 14 因此,本模型只需要輸入光伏電池通常的技術(shù)參數(shù)Isc、Voc 、Im、Vm，就可以根據(jù)式 (2－4) 、(2－6) 得出C1和C2 。光伏電池I—V 特性曲線是由(2－2) 確定。 上述數(shù) 學(xué)模型是標準參考條件（標準參考日照強度 Sref = 1000W/m2 ,標準參考電池溫度 Tref = 25 ℃）下光伏電池的數(shù)學(xué)模型，而光伏電池I—V 特性曲線與日照強度和電池溫度有 關(guān)。通常地面上日射強度S 的變化范圍為0～1000W/m2 ,光伏電池的溫度變化較大,可能 從10～70℃。因此，考慮到日照強度變化和溫度影響時，可得 V ? DV I = I sc (1 ? C1 (e C2Voc ? 1)) + DI 其中， （2－7） DI =α ? S / Sref ? DT +(S / Sref ?1)? Isc （2－8） （2－9） （2－10） DV =?β ? DT ? Rs ? DI DT = Tc ? Tref α :在參考日照下，電流變化溫度系數(shù)（A/176。C）； β :在參考日照下，電壓變化溫度系數(shù)（V/176。C）； Rs :光伏陣列模塊的內(nèi)阻 上述光伏電池數(shù)學(xué)模型簡單可靠、實用性強且易于實現(xiàn)，但是此模型如果用在控 制器編程里仍有其不可克服的缺點，主要是參數(shù)和方程的計算涉及到多次對數(shù)運算， 對于DSP等控制器來說完成對數(shù)運算并非易事，所以本文在數(shù)學(xué)上需要對其進一步簡 化。 15 3 光伏電池模擬系統(tǒng)分析 3．1 光伏電池模擬器研究現(xiàn)狀 光伏電池模擬器在國內(nèi)外已有一定的研究，取得了不少成果，并已制成了一些樣 品機和實驗裝置。如加拿大University of New Brunswich的研究人員采用基于DC/DC Buck斬波電路和由微處理器構(gòu)成的控制電路做出了仿真電源，其輸出能夠模擬特定的 電池板(VLX一80(2))在不同的光照強度下的多部分特性曲線，完成實驗功能。在國內(nèi) 合肥工業(yè)大學(xué)用變壓器隔離的斬波電路加上位機控制所完成的仿真電源，也能夠較好 的仿真系統(tǒng)，同時可以在上位機系統(tǒng)上對所仿真的曲線以及仿真時實際的情況做出顯 示。中科院電工所的研究人員也研制除了基于DSP控制的仿真電源，也能夠較好的完成 模擬光伏電池輸出IV特性的任務(wù)。總的來說，可分為模擬式光伏電池模擬器和數(shù)字式 光伏電池模擬器[2631]。 3．1．1模擬式光伏電池模擬器 模擬式光伏電池模擬器大都采用了小面積樣品光伏電池作為參考模型,其主要功 能就是完成對樣品光伏電池VI特性的跟蹤和功率放大，其原理為用可控的白熾燈模擬 太陽光強的變化，樣品光伏電池的輸出電壓和電流隨模擬光強而變化，經(jīng)放大后驅(qū)動 功率器件，使其輸出跟隨樣品光伏電池的電壓和電流，代替實際光伏電池陣列進行各 項試驗。 為了模擬太陽光強, 采用一個白熾燈作為人造太陽, 通過調(diào)節(jié)白熾燈的電流強度, 控制其亮度, 達到模擬太陽輻照度的目的, 其控制原理如圖 所示。調(diào)節(jié)電位器 W 動臂的上下位置, 使運放 F 的同相端的電位發(fā)生變化, F 的輸出驅(qū)動 T , 使流過白熾 燈及電阻 R 中的電流增大或減少。 穩(wěn)態(tài)時, 電阻 R 上的電壓 UR 必與 W 的動臂電壓相等, 這樣通過調(diào)節(jié) W 即可調(diào)節(jié)白熾燈照度的大小。圖 中的電容 C 是為消除振蕩而設(shè)置 的。 圖 陽光模擬裝置控制原理 16 把光伏電池模擬器的輸出電壓經(jīng)過線性降壓轉(zhuǎn)換后作為給定值, 使樣品光伏電池 的電壓跟隨模擬器輸出電壓的變化, 然后把樣品光伏電池的輸出電流作為模擬器輸出 電流的控制值, 以控制模擬器的輸出電流, 其電壓調(diào)節(jié)原理如圖 所示。 ,U0為模擬器輸出電壓, 經(jīng)R1和R2分壓后作為調(diào)節(jié)樣品光伏電池PV電壓的控 制值, 電源E為附加的輔助電源, 通過光耦的副端給PV提供一電流通路, 以調(diào)節(jié)PV兩 端電壓。電壓調(diào)節(jié)過程如下: U0↑→UR↑→光耦導(dǎo)通程度↓→IPV↓→UPV↑→UR↓ 由以上調(diào)節(jié)過程可知, 電壓調(diào)節(jié)過程為一負反饋過程。穩(wěn)態(tài)時, 樣品光伏電池兩 端電壓與模擬器輸出電壓成正比。W1 和 W2 分別用作電壓和電流的控制, 當(dāng)模擬器輸出 短路時 W2 可調(diào)節(jié)短路電流大小, 當(dāng)輸出開路時 W1 可調(diào)節(jié)開路電壓大小。 圖 電壓跟隨原理 應(yīng)用圖 電壓控制部分的輸出 Ig,作為模擬器的輸出電流給定值, 模擬器的實際 電流經(jīng)電流傳感器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值作為反饋量。給定值和反饋量的差值經(jīng) PI 控制 器處理后, 進入驅(qū)動電路放大, 推動主電路工作, 得到與樣品光伏電池相對應(yīng)的電壓 與電流裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖 所示。由該圖可見, 這是一個雙環(huán)系統(tǒng), 電壓環(huán)為外 環(huán), 電流環(huán)為內(nèi)環(huán), 由于內(nèi)外環(huán)都采用 PI 控制器, 因此模擬器的輸出必與樣品太陽 電池的輸出嚴格成比例。結(jié)合圖 的電壓控制原理, 對圖 分析后可知: 當(dāng)負載 增大即 IL 增加時, 會引起下列過程: ↗IL↓= Ig (內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)通道) IL↑→If↑→UL↓ ↘U0↓→Ig↑→UL↑→U0↑(外環(huán)調(diào)節(jié)通道) 實踐證明,這種模擬式太陽電池陣列模擬器存在以下嚴重不足: (1)．樣品光伏電池在機內(nèi)光源照射下,機箱內(nèi)小范圍的“環(huán)境溫度”及樣品光伏電池P 17 N 結(jié)的結(jié)溫隨照射時間的增加而強烈變化,這足以使模擬器實際輸出的IV特性遠非 設(shè)定條件下的特性,其誤差往往大到不可接受的程度。一些產(chǎn)品為克服這一弊端,在樣 品電池上附加了復(fù)雜的恒溫裝置,此舉既增加了設(shè)備的復(fù)雜性和儀器維護的工作量,而 且使產(chǎn)品造價大幅度增加； 電壓控制 U0 + Ig _ If PI 驅(qū)動 主電路 UL 負載 電流采樣 IL 圖 模擬器控制框圖 (2)．被模擬的光伏電池陣列特性和及被試系統(tǒng)的工況不能形象、直觀地顯示于屏幕, 調(diào)試人員難以鑒別被模擬系統(tǒng)是否已達最佳工作狀態(tài),也不能令使用通過模擬器屏幕 直接觀察到系統(tǒng)各參數(shù)對系統(tǒng)工況的影響。 因此，為了克服這些缺點，以光伏電池的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)結(jié)合計算機控制、現(xiàn)代 電力電子和數(shù)字技術(shù)提出了數(shù)字式太陽電池陣列模擬器 3．1．2數(shù)字式光伏電池模擬器 這種模擬器僅要求使用者在定義被模擬光伏電池的容量后,直接輸入相應(yīng)日照及環(huán) 境溫度等參數(shù),就可以完整復(fù)現(xiàn)該光伏電池陣列在各種日照強度和環(huán)境溫度下的IV及 PV 的特性。該新型模擬器在性能和使用功能等與傳統(tǒng)模擬式光伏電池模擬器相比,具 有極大的優(yōu)越性和極佳的性能價格比。數(shù)字光伏電池模擬器多以功能強大的計算機、 單片機或DSP為控制器，基于第二章所述的光伏電池數(shù)學(xué)模型的控制算法，控制直流斬 波電路，達到控制光伏電池模擬器輸出符合光伏電池輸出IV及PV 特性的目的。下面 就以一種以計算機為控制器的數(shù)字式光伏電池模擬器為例，說明數(shù)字式光伏電池模擬 器的硬件組成結(jié)構(gòu)和控制方法。 （1） 硬件結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)硬件主要由上位計算機、多功能數(shù)據(jù)采用控制卡和穩(wěn)壓穩(wěn)流高頻可控直流 開關(guān)電源組成,。上位機采用功能強大并配有多功能數(shù)據(jù)采集卡的 機型,穩(wěn)壓穩(wěn)流直流開關(guān)電源為特殊設(shè)計并具有計算機接口控制功能的獨立電源,不僅 可以實現(xiàn)開路電壓、 輸出電流的控制,而且可將負載端實際電壓、 電流及電源工作狀態(tài)、 18 故障及報警信號等送入接口,供計算機進行數(shù)據(jù)處理、分析及故障判斷。 圖 主電路結(jié)構(gòu)圖 （2）軟件結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)的控制方式如圖 所示，根據(jù)第二章提供的光伏電池陣列 IV 特性解析 表達式,通?？梢栽谟嬎銠C內(nèi)存中建立對應(yīng)于 IV 特性的數(shù)據(jù)表格,系統(tǒng)模型跟蹤控制 及數(shù)據(jù)處理均由計算機實時計算完成,這種實時控制必須保證模擬器系統(tǒng)的快速性和 準確性。 圖 軟件結(jié)構(gòu)圖 計算機快速實時地針對輸出電流、輸出電壓采樣,并立即與IV特性曲線模型數(shù)據(jù)進 行比較和計算,最終使輸出電流指令值收斂于某一點,該點即為負載的工作點,必定座 落在光伏電池陣列的IV 特性曲線上。值得注意的是:實驗