基于Proteus平台的光伏电池建模及特性仿真

兰建军 关硕 胡永驰

摘要：为使学生更加深入的了解和掌握光伏电池特性及其发电原理，提出一种基于Proteus平台的光伏电池建模及其发电原理实验方案。方案依据光伏电池等效电路和光伏电池生产厂家提供的特性参数，详细介绍了Proteus平台中光伏电池SPICE模型建模及其特性曲线测试方法。测试结果表明，构建的光伏电池仿真模型完全可以满足光伏发电过程虚拟仿真应用的要求，值得推广和借鉴。

关键词：光伏电池;光伏发电;Proteus;建模;虚拟仿真

中图分类号：TP399        文獻标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）01-0243-02

Photovoltaic Cell Modeling and Characteristic Simulation Based on Proteus

LAN Jian-jun， GUAN Shuo， HU Yong-chi

（School of Automation Engineering， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract： In order to enable students to have a further understanding and mastering the characteristic of the PV cell and power generation principle， this paper presents a method of PV cell modeling and characteristic test based on Proteus platform. The methods of PV cell modeling and its characteristic curve test is introduced in Proteus platform according to the PV cell equivalent circuit and the characteristics parameters supplied by the PV cell manufacturer. The test results show that the established simulation model of PV cell can completely meet the requirements of the application of the virtual simulation of photovoltaic power generation process， and the method is worth learning and promotion.

Key words： PV cell; photovoltaic power generation; proteus; modeling; virtual simulation

随着化石能源的有限性以及环境问题的日益突出，新能源的发展得到了广泛的重视。分布式光伏发电以其独特的优势对大电网供电形成有益的互补，并且在不远的将来会占据能源消费的重要席位[1]。为充分了解光伏电池特性及其发电原理，依托MATLAB等软件平台进行光伏电池的建模及其相关特性的仿真研究是较为常用的方案[2-5]。但是MATLAB中无法实现微处理和元件级电路的仿真，也无法结合微处理器进行程序代码调试和仿真。Proteus是一款著名的EDA工具，可以实现从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真，一经推出后，就得到广大单片机开发工作者的青睐[6-8]。

本文提出的基于Proteus平台的光伏电池建模及其发电原理实验方案，只需要依据光伏电池等效电路和光伏电池生产厂家提供的主要参数，就可在Proteus软件中完成光伏电池仿真模型构建，依托构建的光伏电池模型不仅可以开设光伏电池特性曲线测试等基本实验，还可开设各种光伏发电过程虚拟仿真等综合性实验内容，打破学生传统验证性实验思维方式，提高学生自主综合设计能力。

1 光伏电池模型

目前，光伏电池通常采用有4种数学模型进行描述[9]，其中，五参数光伏电池等效电路模型是最为常用的数学模型，非常适用于光伏系统相关参数测量及电子电路仿真应用。光伏电池等效电路如图1所示[10，11]。其主要由光电流、二极管、并联电阻和串联电阻构成，光伏电池输出电流I可以通过式（1）进行描述。

[I=Iph-I0expq（V+RsI）aKTNs-1-（V+IRs）Rsh]           （1）

式中：I为光伏电池的输出电流;Iph为光生电流;I0为二极管反向饱和电流;q为单位电荷量;V为光伏电池输出电压;Rs为等效串联电阻;Ns为二极管理想因子;K为玻尔兹曼常量;T为电池温度;Rsh为等效并联电阻。

2 光伏电池建模

由于Proteus中没有光伏电池仿真模型，为了能够模拟实际光伏电池特性，需要构建光伏电池仿真模型，Proteus中使用的SPICE模型是SPICE3F5工业标准。因此，可以在Proteus中利用SPICE模型构建光伏电池SPICE模型的原理图电路，设计的光伏电池模型原理图如图2所示。

本次建模使用的参数来取自MSX-60光伏电池生产厂家提供的参数，其具体的参数数据如表1所示。光伏电池等效电路中的光电流IPH由压控电流源来模拟，电压源V1的电压设定为3.8V，压控电流源ACS1传递函数为1.0*V（A，B），用于模拟光伏电池短路电流3.8A。并联电阻RSH和串联电阻参数分别设置为153.5644 Ω和0.38572Ω。

为保证构建的光伏电池模型和实际光伏电池特性一致，仿真电路模型中二极管D的SPICE模型进行了改进[12]，相关参数设置为{RS=0.03，N=35.09424，IS=2.5245e-10，TEMP=25}。

3 光伏电池特性测试

3.1 基本特性测试

为了解光伏电池I-V和P-V特性，在Proteus中设计了如图3所示的模型特性测试电路。利用直流電压源V2来模拟负载，其电压值设置成变量x。在模型电路输出端分别添加直流电流探针IPV和直流电压探针VPV，就可以利用直流扫描图表分析工具（DC SWEEP）进行扫描测试，仿真图表前，直流扫描图表分析工具的扫描变量选择为变量x，扫描变化范围设置为0V～21.1V（Voc）。仿真图表后可获得如图4所示的光伏电池模型特性曲线，其中，PPV为P-V特性曲线，IPV为I-V特性曲线。对比仿真获取的特性曲线和MSX-60电池厂家提供的特性曲线，二者特性一致。

3.2 不同光照下P-V特性测试

光伏电池在不同的光照条件下，其输出将发生变化。可在Proteus软件中利用转移特性图表（TRANSFER）测试光伏电池在不同光照条件下的功率分布特征，因此，设计了如图5所示的测试电路。

其中，负载由直流电压信号源Vld模拟，电压变化范围0～21.1V，仿真步数为50步，用于模拟不同的光伏电池输出电压;压控电流源ACS的控制电压由直流电压信号源Vi模拟，扫描范围0～3.8V，用于模拟环境光照度从100W/m2到1000W/m2变化，仿真步数为10步（步长100W/m2）。仿真图表后，可以获得如图6所示的不同光照条件下光伏电池P-V特性曲线。

4 结语

本文提出的基于Proteus平台的光伏电池建模方案及其发电原理实验方案，只需要依据光伏电池等效电路和光伏电池生产厂家提供的产品数据参数就可实现光伏电池的快速建模。各种仿真测试结果表明，构建的光伏电池模型可以应用于光伏发电过程的仿真研究，可有效解决实验设备受限问题，丰富实验内容，极大程度地提高了学生自主综合设计和开发能力的培养。方案切实有效，值得推广和借鉴。

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