一种简单的光伏电池模拟器

陶 瑞，梁占红，高金峰，张 锐

（郑州大学电气工程学院，河南郑州 450001）

随着煤炭、石油、天然气等传统能源的日益短缺，研究和开发太阳能、风能、地热能等新能源成为世界各国广泛关注的重大问题。作为一种重要的绿色新能源，太阳能取之不尽，不受地域限制，在照明、家电、交通、通信、太空等众多领域得到广泛应用[1]。由于太阳能光伏电池体积大、成本高，其输出特性易受光照强度、环境温度等自然条件影响，无法在实验室等特殊场合进行重复性实验研究。因此，有必要设计一种光伏电池模拟器，以模拟实际光伏电池在不同环境条件下的输出特性。

目前，光伏电池模拟器的实现方式主要有两类：模拟式模拟器和数字式模拟器[2]。前者采用模拟电路实现光伏电池输出特性的模拟，通过线性或开关电路调节其输出功率[3-5]。后者采用数字电路，利用查表、实时计算、曲线拟合等方法实现光伏电池输出特性的模拟，通过DC-DC开关变换电路调节其输出功率[6-7]。模拟式模拟器电路简单，成本低廉，可模拟不同环境条件下光伏电池的输出特性；数字式模拟器精度较高，计算量大，对存储空间和实时性要求较高。文献[3]基于光伏电池的数学模型，采用由运算放大器和二极管构成的减法器电路，实现了与真实光伏电池相同的I-U特性曲线。文献[4]基于光伏电池的等效电路，采用由电压控制电流源和电压控制电压源构成的模拟电路，分别利用4个串联二极管和1块光伏电池实现了光伏电池的I-U特性曲线。

本文基于光伏电池的输出特性，提出了一种模拟光伏电池输出特性的光伏电池模拟器实现电路。该电路由1个恒定电流源和n个串联二极管并联组成，其原理是利用不同组合的二极管P-N结的非线性特性，通过调节电流源的电流和二极管的个数，实现不同光照和温度下光伏电池输出特性的模拟。根据光伏电池模拟器的数学模型，在MATLAB/Simulink环境中建立了光伏电池模拟器仿真模型。计算机仿真和电路实验结果验证了所设计光伏电池模拟器的有效性。

1 光伏电池的输出特性

光伏电池是一种半导体光电器件，能够将入射太阳能转变为光电流，其输出特性可用图1所示的等效电路来描述。

图1 光伏电池的等效电路

根据基尔霍夫电流定律，可推得光伏电池输出电流I与电压U的关系为：

式中：Iph为光伏电池的光生电流；I0为二极管反向饱和电流；T为光伏电池的温度；A为二极管品质因子（当T=300 K时，A=2.8）；k为玻尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；q为电子电荷（1.6×10-19C）；Rs为等效串联电阻（小于1Ω）；Rsh为等效并联电阻（几千欧）。

光伏电池的输出特性易受光照强度S和电池温度T影响。本文针对BCT10-12M型光伏电池组件（其电性能参数如表1所示），根据文献[8]所给光伏电池工程数学模型，通过MATLAB/Simulink仿真得到其在不同光照和温度下的输出特性曲线，如图2所示。由图2（a）可知，当温度不变时，短路电流随光照增强显著增大，两者成线性关系，开路电压随光照增强略有增加，最大功率随光照增强显著增大。由图2（b）可知，当光照不变时，开路电压随温度升高显著降低，短路电流随温度升高略有增加，最大功率随温度升高显著降低。

表1 标准测试条件下BCT10-12M型光伏电池组件电性能参数

图2 不同光照和温度下BCT10-12M型光伏电池组件的输出特性曲线

2 光伏电池模拟器电路实现

由于光伏电池的串联电阻Rs很小，若忽略Rs的影响，则开路电压UOC近似等于二极管D的导通压降UD。当光伏电池输出端口短路时，由于流过二极管D的反向漏电流非常小，因此短路电流ISC近似等于光生电流Iph。基于这一特性，本文构建了一个模拟光伏电池输出特性的光伏电池模拟器的简单实现电路，如图3所示。该电路由1个恒定电流源和n个串联二极管并联组成，其原理是利用不同组合的二极管P-N结的非线性特性。选用恒定电流源Iph作为电路的输入，二极管D1～Dn选用MUR8100超快恢复整流二极管，其最大正向电流可达8 A，并联电阻Rsh阻值为10 kΩ，串联电阻Rs阻值为1Ω。

图3 光伏电池模拟器的实现电路

当n个串联二极管导通工作时，由于所有二极管的特性完全相同，因此每个二极管的导通压降等于总电压UD的n分之一。根据二极管的伏安特性，可得到二极管串联电路电流ID与电压UD的关系为：

式中：A、k、T、q 和 I0均为常数。对于 MUR8100 二极管，当T=298 K时，反向饱和电流I0=25μA。根据(2)式，采用MATLAB软件仿真，得到图4所示的二极管串联电路伏安特性曲线。由图4可知，在导通电流ID保持不变的情况下，二极管总导通压降UD随其个数n的增加而增大，两者成正比关系。

图4 二极管串联电路的伏安特性曲线

将（2）式代入（1）式，并忽略串联电阻Rs和并联电阻Rsh的影响，可以得到光伏电池模拟器的输出特性方程为：

通过调节电流源Iph的输出电流，可以模拟光伏电池短路电流ISC随光照的变化情况。通过开关K1～Kn改变串联二极管的个数n，调节其总导通压降UD，可以模拟光伏电池开路电压UOC随温度的变化情况。

3 仿真与实验验证

3.1 计算机仿真验证

根据公式（3），在MATLAB/Simuink环境下建立了光伏电池模拟器的仿真模型，如图5所示。针对BCT10-12M型光伏电池组件，进行了计算机仿真研究，仿真结果如图6所示。由图6（a）可知，当二极管个数不变时，随着电流源电流的不断增大，短路电流不断增大，开路电压略有增加，最大功率不断增大。由图6（b）可知，当电流源电流不变时，随着二极管个数的不断减小，开路电压不断减小，短路电流基本不变，最大功率不断减小。由仿真结果可知，通过调节电流源电流和二极管个数，采用本文所设计光伏电池模拟器，可实现不同光照和温度下光伏电池输出特性的模拟。

图5 光伏电池模拟器的MATLAB/Sim ulink仿真模型

图6 不同光照和温度下光伏电池模拟器的仿真曲线

3.2 电路实验验证

为了验证本文所设计光伏电池模拟器的有效性，在其输出端口外接一个负载电阻RL，进行了电路实验研究。调节负载电阻RL，使其阻值从0～10 kΩ变化，测定流过RL的电流I及其两端电压U。采用MATLAB软件对实验测量数据进行拟合处理，得到图7所示的实验曲线。由图7（a）可知，当二极管个数不变时，随着电流源电流的不断增大，短路电流不断增大，开路电压略有增加，最大功率不断增大。由图7（b）可知，当电流源电流不变时，随着二极管个数的不断减小，开路电压不断减小，短路电流基本不变，最大功率不断减小。实验结果表明，采用本文所设计光伏电池模拟器，可有效地模拟不同光照和温度下实际光伏电池的输出特性。

图7 不同光照和温度下光伏电池模拟器的实验曲线

4 结论

由于受成本、场地、自然环境等条件所限，无法在实验室等特殊场合采用实际光伏电池进行可重复性实验研究，因此有必要设计一种光伏电池模拟器。本文基于光伏电池的输出特性，提出了一种光伏电池模拟器简单实现电路。该电路由1个恒定电流源和n个串联二极管并联组成，其原理是利用不同组合的二极管P-N结的非线性特性，通过调节电流源的电流和二极管的个数，实现不同光照和温度下光伏电池输出特性的模拟。计算机仿真与电路实验结果验证了本文所设计光伏电池模拟器的有效性。

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