CN105529992A - 一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，包括PC机人机交互模块、控制器、整流电路和DC/DC变换器；PC人机交互模块接收输入参数并传输至控制器，控制器分别采集电网负载端的电压和电流，再根据输入参数进行计算，输出PWM驱动信号；整流电路对电网提供的交流电进行整流并传送给DC/DC变换器，DC/DC变换器在PWM驱动信号控制下对直流电进行DC/DC变换后传送到控制器，控制器根据变换结果进行模拟计算输出至PC机人机交互模块显示。本发明解决了传统光伏电池模拟器只能模拟标准环境条件下的光伏电池输出特性的缺陷，能实现模拟随机自然条件下的光伏组件的光伏电池输出特性，模拟精准，设计和操作灵活简单，降低实验成本。

Description

一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器

技术领域

本发明设计了一种光伏组件模拟器，特别是一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器。

背景技术

当今社会面临的两大问题——环境污染问题和能源危机问题，其中环境问题清晰的呈现在我们每个人的面前，身边的溪流水污染，雾霾频发等等。石油是人类用得最多的不可再生能源，由于过度的挖掘开采带来了地表塌陷和水污染的问题，我国消耗的能源75％来自煤炭，已经日益枯竭，且带来了各种环境污染问题，这些不可再生能源的大量开采和利用带来的种种问题已经向人类敲响了警钟。而再生能源之一——太阳能，无污染且资源丰富，地球年均光照强度为0.201kW/m2，相当于地球一年可获得来自太阳102000TW的能量。因此，太阳能得天独厚的优势受到了人们广泛的关注。

太阳能将会在人类生活中扮演着越来越重要的角色。光电转换势不可挡，我国国务院发表意见指出，2015年全总装机容量要达3500,0000KW以上，在国家的领导下，光伏发电产业将到达历史新高峰,而光伏组件是光伏发电系统的最基础以及最关键的部分，在研究光伏发电系统之前，研究人员必须掌握光伏电池的输出特性，否则无法开展进一步的实验和研发工作。因此，光伏模拟器成为重要实用的实验装置。但是，目前的光伏模拟器只能模拟标准情况下的光伏电池输出特性，对于任意局部阴影遮挡条件下的工作情况，即光照强度和光伏电池温度不同时，无法提供正确的光伏阵列输出特性，具有一定的局限性，实验成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，解决传统光伏电池模拟器只能模拟标准环境条件下的光伏电池输出特性的缺陷，能实现模拟随机自然条件下即任意工况下、任意连接方式下的光伏组件的光伏电池输出特性，模拟精准，设计和操作灵活简单，降低实验成本。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，包括PC机人机交互模块、控制器和主电路；主电路包括整流电路和DC/DC变换器；

所述PC机人机交互模块接收输入参数并传输至控制器，输入参数包括工况信息和光伏组件参数；控制器分别采集电网负载端的电压和电流，再根据输入参数进行计算，输出PWM驱动信号控制主电路；整流电路对电网提供的交流电进行整流，得到直流电并传送给DC/DC变换器，DC/DC变换器在控制器输出的PWM驱动信号控制下对上述直流电进行直流-直流变换，并将变换结果传送到控制器，控制器根据变换结果按光伏电池数学模型公式进行计算模拟，输出模拟结果至PC机人机交互模块显示。

所述任意工况包括标准环境条件下的工作情况和任意局部阴影条件下的工作情况，即光照强度和光伏电池温度均为任意设置。

所述光伏组件包括单板形式和组件形式，其中组件形式包括多个单板的串联形式、并联形式或串并联形式。

所述输入参数包括光伏电池的开路电压、短路电流、最大功率点电压值、最大功率点电流值、理想因子、串联内阻，还包括工作环境的光照强度和光伏板温度，以及光伏板的连接形式和连接数量。

所述光伏电池数学模型公式为：

$I_L=I_{ph}-I_o\left(\exp \right(\frac{q(U_L+I_L{R}_S)}{AKT})-1)$

式中，

T为光伏电池的温度；

I_L是光伏电池的输出电流；

U_L是光伏电池的输出电压；

I_ph是光生电流，与光照强度G成正比，与光伏电池温度T成反比；

I₀是没有光照时候的反向饱和电流；

q为电子电荷，值为1.6×10^-19C；

R_s是串联内阻；

A是理想因子，其值取1到2之间的常数；

K是玻尔兹曼常数，值为1.38×10^-23J/K。

所述模拟结果为光伏组件的I-V特性曲线和P-V特性曲线。

本发明的有益效果：

本发明在不失精确度的基础上提高了光伏模拟器的实用性，不仅可以模拟各种类型的光伏电池板输出特性，还可以模拟不同光照和温度条件下以及任意局部阴影遮挡条件下的光伏组件输出特性，克服了自然条件的随机性给实验带来的困难，模拟精准，设计和操作灵活简单，降低实验成本。

附图说明

图1为本发明模拟器的的结构示意图。

图2是本实施例1模拟结果的I-V特性曲线。

图3是本实施例1模拟结果的P-V特性曲线。

图4是本实施例2模拟结果的I-V特性曲线。

图5是本实施例2模拟结果的P-V特性曲线。

图6是本实施例3模拟结果的I-V特性曲线。

图7是本实施例3模拟结果的P-V特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明权利保护范围的限制。

如图1所示，一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，包括PC机人机交互模块、控制器和主电路；主电路包括整流电路和DC/DC变换器；

所述PC机人机交互模块接收输入参数并传输至控制器，输入参数包括工况信息和光伏组件参数；控制器分别采集电网负载端的电压和电流，再根据输入参数进行计算，输出PWM驱动信号控制主电路；整流电路对电网提供的交流电进行整流，得到直流电并传送给DC/DC变换器，DC/DC变换器在控制器输出的PWM驱动信号控制下对上述直流电进行直流-直流变换，并将变换结果传送到控制器，控制器根据变换结果按光伏电池数学模型公式进行计算，输出I-V特性曲线和P-V特性曲线至PC机人机交互模块显示。

所述任意工况包括标准环境条件下的工作情况和任意局部阴影条件下的工作情况，即光照强度和光伏电池温度均为任意设置。

所述光伏组件包括单板形式和组件形式，其中组件形式包括多个单板的串联形式、并联形式或串并联形式。

所述输入参数包括光伏电池的开路电压、短路电流、最大功率点电压值、最大功率点电流值、理想因子、串联内阻，还包括工作环境的光照强度和光伏板温度，以及光伏板的连接形式和连接数量。

所述光伏电池数学模型公式采用四参数模型，四参数是指光生电流I_ph、反向饱和电流I₀、串联内阻R_s以及理想因子A。

由光伏电池的工作原理及其特性，得到光伏电池数学模型公式：

$\begin{array}{c}{I}_L=I_{ph}-I_{VD}-\frac{U_L+I_L{R}_S}{R_{sh}}\\ =I_{ph}-I_o\left(\exp \right(\frac{q(U_L+I_L{R}_S)}{AKT})-1)-\frac{U_L+I_L{R}_S}{R_{sh}}\end{array}---\left(1\right)$

由于R_sh﹥﹥R_s，故可忽略式(1)中的串联内阻和第三项，则可得光伏电池的数学模型公式为：

$I_L=I_{ph}-I_o\left(\exp \right(\frac{q(U_L+I_L{R}_S)}{AKT})-1)---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，I_ph是光伏电池的光生电流，与光照强度G成正比，与光伏板温度T成反比；

I_VD是二极管电流，方向与I_ph反向；

R_s是由电池体电阻、表面电阻和电极导体电阻等组成的串联内阻；

R_sh是因电池边缘不清洁或体内缺陷而引起的旁漏电阻；

R_L是电力负载电阻；

I₀是没有光照时候的反向饱和电流；

A是理想因子，其值取1到2之间的常数；

K是玻尔兹曼常数，值为1.38×10^-23J/K；

q为电子电荷，值为1.6×10^-19C^[8]；

I_L是光伏电池的输出电流；

U_L是光伏电池的输出电压。

当光伏电池短接时，流过二极管电流非常小，光伏电池的短路电流I_sc可近似为光生电流I_sc＝I_ph。令C₁＝I₀/I_sc，C₂＝AKT/q，上式(2)可转换为：

$I_L=I_{sc}(1-C_1(\exp \left(\frac{U_L}{C_2}\right)-1)---\left(3\right)$

其中C₁，C₂由下述公式确定：

$C_1=(1-\frac{I_m}{I_{sc}})\exp (-\frac{U_m}{C_2{U}_{oc}})---\left(4\right)$

$C_1=\frac{(U_m-U_{oc})}{ln(1-\frac{I_m}{I_{sc}})}---\left(5\right)$

式中，

U_oc为光伏电池的开路电压；

I_sc为光伏电池的短路电流；

U_m为光伏电池输出的最大功率点电压值；

I_m为光伏电池输出的最大功率点电流值。

实施例1：

本实施例光伏组件采用单板形式，工作于标准条件下。

输入参数为：光伏电池参数为开路电压U_oc＝22.2V，短路电流I_sc＝5.45A，最大功率点电压值U_m＝17.2V，最大功率点电流值I_m＝4.95A，理想因子A＝1，串联内阻R_s＝0.5456Ω；工作环境为标准条件，即光照强度G＝1000W/m²，温度T＝25℃。

控制器对负载端采样电流和电压，与上述输入参数进行比较，输出相应的PWM驱动信号来驱动主电路中的DC/DC变换器。整流电路对电网的交流电进行整流得到直流电，传送至DC/DC变换器进行DC/DC变换，将变换结果传送至控制器，控制器根据式(2)进行运算，输出模拟结果，如图2和图3所示。

实施例2：

本实施例光伏组件采用串并联形式，即首先将三块光伏板串联得第一串联支路，再将另外三块光伏板串联得第二串联支路，最后将上述两个串联支路并联即可。

输入参数为：开路电压U_oc＝22.2V，短路电流I_sc＝5.45A，最大功率点电压值U_m＝17.2V，最大功率点电流值I_m＝4.95A，理想因子A＝1，串联内阻R_s＝0.5456Ω；工作环境条件为标准条件，即光照强度G＝1000W/m²，温度T＝25℃。

控制器对负载端采样电流和电压，与上述输入参数进行比较，输出相应的PWM驱动信号来驱动主电路中的DC/DC变换器。整流电路对电网的交流电进行整流得到直流电，传送至DC/DC变换器进行DC/DC变换，将变换结果传送至控制器，控制器根据式(2)进行运算，输出模拟结果，如图4和图5所示。

实施例3：

本实施例光伏组件采用串联形式，由6块光伏板串联，工作于局部阴影的环境条件下。

输入参数为：开路电压U_oc＝21.6V，短路电流I_sc＝5.54A，最大功率点电压值U_m＝16.8V，最大功率点电流值I_m＝4.98A，理想因子A＝1，串联内阻R_s＝0.5456Ω；环境条件为局部阴影环境条件下，即6块光伏板中有5块光伏板的光照强度为G＝1000W/m²，1块光伏板的光照强度为G＝600W/m²，温度都为T＝25℃，以此来模拟局部阴影环境条件。

控制器对负载端采样电流和电压，与上述输入参数进行比较，输出相应的PWM驱动信号来驱动主电路中的DC/DC变换器。整流电路对电网的交流电进行整流得到直流电，传送至DC/DC变换器进行DC/DC变换，将变换结果传送至控制器，控制器根据式(2)进行运算，输出模拟结果，如图6和图7所示。

以上实施例均能得出精准的模拟结果，故可得以下结论：本发明可模拟随机自然条件下即任意工况下、任意连接方式下的光伏组件的光伏电池输出特性，并且模拟精确度高，解决了传统光伏电池模拟器只能模拟标准环境条件下的光伏电池输出特性的缺陷，具有更高的实用价值。

Claims (6)

1.一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，包括PC机人机交互模块、控制器和主电路；主电路包括整流电路和DC/DC变换器；

所述PC机人机交互模块接收输入参数并传输至控制器，输入参数包括工况信息和光伏组件参数；控制器分别采集电网负载端的电压和电流，再根据输入参数进行计算，输出PWM驱动信号控制主电路；整流电路对电网提供的交流电进行整流，得到直流电并传送给DC/DC变换器，DC/DC变换器在控制器输出的PWM驱动信号控制下对上述直流电进行直流-直流变换，并将变换结果传送到控制器，控制器根据变换结果按光伏电池数学模型公式进行计算模拟，输出模拟结果至PC机人机交互模块显示。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，所述任意工况包括标准环境条件下的工作情况和任意局部阴影条件下的工作情况，即光照强度和光伏电池温度均为任意设置。

3.根据权利要求1所述的一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，所述光伏组件包括单板形式和组件形式，其中组件形式包括多个单板的串联形式、并联形式或串并联形式。

4.根据权利要求1所述的一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，所述输入参数包括光伏电池的开路电压、短路电流、最大功率点电压值、最大功率点电流值、理想因子、串联内阻，还包括工作环境的光照强度和光伏板温度，以及光伏板的连接形式和连接数量。

5.根据权利要求1所述的一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，所述光伏电池数学模型公式为：

$I_L=I_{ph}-I_o\left(\exp \right(\frac{q(U_L+I_L{R}_S)}{AKT})-1)$

式中，

T为光伏电池的温度；

I_L是光伏电池的输出电流；

U_L是光伏电池的输出电压；

I_ph是光生电流，与光照强度G成正比，与光伏电池温度T成反比；

I₀是没有光照时候的反向饱和电流；

q为电子电荷，值为1.6×10^-19C；

R_s是串联内阻；

A是理想因子，其值取1到2之间的常数；

K是玻尔兹曼常数，值为1.38×10^-23J/K。

6.根据权利要求1所述的一种可模拟任意工况下光伏组件输出特性的模拟器，其特征在于，所述模拟结果为光伏组件的I-V特性曲线和P-V特性曲线。