CN105787235A - 一种光伏电池仿真模型建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光伏电池仿真模型建立方法及装置，方法包括：获取光伏电池的标准参数；根据光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；根据标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；根据等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。本发明的技术方案能够提供一种适用于光伏电池的工程简化仿真模型，可以反映太阳能辐射强度、环境温度的瞬态变化对光伏电池运行状态的影响。

Description

一种光伏电池仿真模型建立方法及装置

技术领域

本发明涉及仿真技术，具体的讲是一种光伏电池仿真模型建立方法及装置。

背景技术

由于太阳辐照的波动性和随机性，光伏电池输出功率的波动很大。随着光伏电池容量的增加，输出功率的波动行越发明显，对电网的影响也更为严重。分布式光伏发电系统与电网系统的相互作用，已成为目前分布式光伏并网方向的关键技术之一。

现有技术中，光伏电池的仿真模型主要有两种。一种是基于半导体特性和物理特性的物理模型，以光伏电池等效电路为基础建模。该方法采用受控电流源并联二极管及电阻模拟光伏电池内部的电流特性，可以真实地反映光伏电池在不同运行特性下的输出特性；另一种是反映光伏电池外特性的仿真模型，依据光伏电池的输出特性，对其输出特性曲线进行拟合，并根据光伏电池短路电流、开路电压等参数得到其输出特性的表达式。

目前用于光伏发电系统仿真分析的光伏电池模型，大都采用直流电源加MPPT控制环节，计算系统的功率潮流针对系统的长期稳态进行评价。但在光伏发电系统动态并网性能的研究中，上述模型不能反映当太阳能辐射强度、环境温度变化时，光伏电池运行状态的瞬态变化以及这种变化对电网的影响。

当采用基于光伏电池物理特性的仿真模型时，涉及的参数较多，计算量大，需要重复进行更新计算，实用性较差。并且光伏电池的外特性的仿真模型由于在经行输出特性曲线拟合时，采用了一些等效和近似，所以相对光伏电池物理特性的仿真模型的精度有所欠缺。

发明内容

为反映太阳能辐射强度、环境温度的瞬态变化对光伏电池运行状态的影响，本发明实施例提供了一种光伏电池仿真模型建立方法，包括：

获取光伏电池的标准参数；

根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

同时，本发明还提供了一种光伏电池仿真模型建立装置，装置包括：

参数获取模块，用于获取光伏电池的标准参数；

第一仿真参数确定模块，用于根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

第二仿真参数确定模块，用于根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

模型建立模块，用于根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

本发明的技术方案能够提供一种适用于光伏电池的工程简化仿真模型，可以反映太阳能辐射强度、环境温度的瞬态变化对光伏电池运行状态的影响。仿真过程中仅需给出环境温度、光照强度及组件的端口电压即可模拟光伏组件的输出特性。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种光伏电池仿真模型建立方法的流程图；

图2为本发明公开的一种光伏电池仿真模型建立装置的框图；

图3为光伏电池等效电路的理想形式；

图4为光伏电池等效电路的实际形式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种光伏电池仿真模型建立方法，包括：

步骤S101，获取光伏电池的标准参数；

步骤S102，根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

步骤S103，根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

步骤S104，根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

其中，上述的光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压、光生电流、光伏电池负载两端的电压、标准状态下的光伏电池的短路电流、标准状态下的光伏电池的开路电压、标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电流及标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电压。

进一步，本发明具体实施例中，根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流包括：

根据所述光伏电池的标准参数和式(1)确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻；其中，式(1)为：

$R_s=\frac{k\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{scb}}})+U_{\mathrm{oc}}-U_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{mb}}},k=\frac{\mathrm{AkT}}{q}---\left(1\right)$

根据所述标准参数和式(2)确定光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；其中，式(2)为：

$I_0=\frac{I_{\mathrm{scb}}}{\exp \frac{{\mathrm{qU}}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AkT}}}---\left(2\right)$

I_scb为标准状态下光伏电池的短路电流；

U_oc为光伏电池的开路电压；

I_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电流；

U_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电压；

q为电荷量，值为1.6×10^-19C；

k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/K；

T为环境温度；

A为P-N结的曲线常数，其值一般在1～2之间变化。

上述的步骤S103中，根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流包括：

根据所述标准参数、等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及式(3)确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；其中，式(3)为：

$I_L=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \left(\frac{q(U+I_L{R}_s)}{\mathrm{AkT}}\right)-1]---\left(3\right)$

I_L为光伏电池仿真模型的输出负载电路；

I_ph为光生电流；

U为光伏负载两端的电压。

此外，如图2所示，本发明还提供了一种光伏电池仿真模型建立装置，包括：

参数获取模块201，用于获取光伏电池的标准参数；

第一仿真参数确定模块202，用于根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

第二仿真参数确定模块203，用于根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

模型建立模块204，用于根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

本发明的模型可以反映太阳能辐射强度、环境温度的瞬态变化对光伏电池运行状态的影响，公式中结合环境温度、光照强度及组件的端口电压即可模拟光伏组件的输出特性。下面结合具体实施例对本发明技术方案做进一步详细说明：

太阳能光伏电池模型的光伏电池等效电路的理想形式和实际形式分别如图3、图4所示。

图4中，I_ph为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的光照强度；I_L为光伏电池输出的负载电流；U为负载两端的电压；无光照情况下，光伏电池的基本行为特性类似于一个普通二极管，U_D表示等效二极管的端电压，I_D为流经二极管的电流；R_L为电池的外负载电阻；电路中等效串联电阻R_s由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成；等效并联电阻R_sh由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的P-N结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。一般来说，质量好的硅晶片1cm²的R_s约在7.7～15.3mΩ之间，R_sh在200～300Ω之间。

因等效串联电阻R_s相对较小，而等效并联电阻R_sh相对较大，计算时理想的等效电路只相当于一个电流为I_ph的恒流源与一个二极管并联。

光伏电池等效电路中各变量的表达式如式(2-1)～(2-5)所示：

$I_D=I_0\left(\exp \frac{{\mathrm{qU}}_D}{\mathrm{AkT}}\right)-1---(2-1)$

$\begin{array}{c}{I}_L=I_{\mathrm{ph}}-I_D-\frac{U_D}{R_{\mathrm{sh}}}\\ =I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \left(\frac{q(U+I_L{R}_s)}{\mathrm{AkT}}\right)-1]-\frac{U+I_L{R}_s}{R_{\mathrm{sh}}}]\end{array}---(2-2)$

$I_{\mathrm{sc}}=I_{\mathrm{ph}}-I_D-\frac{U_D}{R_{\mathrm{sh}}}-\frac{U_D}{R_s}---(2-3)$

$U_{\mathrm{oc}}=\frac{\mathrm{AkT}}{q}\ln (\frac{I_{\mathrm{sc}}}{I_0}+1)---(2-4)$

U_D＝U+I_LR_s(2-5)

式中：

I₀——光伏电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流；

I_sc——光伏电池的短路电流；

U_oc——光伏电池的开路电压；

q——电荷量，值为1.6×10^-19C；

k——波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/K；

T——绝对温度，单位为K；

A——P-N结的曲线常数，其值一般在1～2之间变化。

由于R_S<<Rs_h，因此可以对(2-2)式简化为

$I_L=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \left(\frac{q(U+I_L{R}_s)}{\mathrm{AkT}}\right)-1]---\left(6\right)$

令：

ΔT＝T_h-T_ref(7)

$\mathrm{\&Delta;S}=\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}-1---\left(8\right)$

式中：

T_h——环境温度；

T_ref——标准温度25℃；

S——辐照度；

S_ref——标准辐照度1000W/m²

一般工况时有：

$I_{\mathrm{sc}}=I_{\mathrm{scb}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\&alpha;\&Delta;T})---\left(9\right)$

U_oc＝U_ocb(1+γΔT)ln(1+βΔS)(10)

$I_m=I_{\mathrm{mb}}\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}(1+\mathrm{\&alpha;\&Delta;T})---\left(11\right)$

U_m＝U_mb(1+γΔT)ln(1+βΔS)(12)

式中：

I_scb、U_ocb、I_mb、U_mb—为标准状态下光伏组件的短路电流、开路电压及最大功率点的电流及电压；系数α、β、γ的典型值为α＝0.0025/℃，β＝0.5，γ＝0.00288/℃。

标准工况下，当光伏电池开路时，U＝U_oc，I＝0，由(6)式可以推出：

$I_0=\frac{I_{\mathrm{scb}}}{\exp \frac{{\mathrm{qU}}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AkT}}}---\left(13\right)$

令则当光伏电池工作于最大功率点时，可求得：

$R_s=\frac{k\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{scb}}})+U_{\mathrm{oc}}-U_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{mb}}}---\left(14\right)$

由于光伏串联电池的电阻相对较小，所以在工程计算中，可以将光伏组件在最大功率点处对应的串联电阻值来近似等效一般工况下的电阻值。

依据上述方法，在MATLAB的Simulink中搭建光伏电池的工程简化模型，模拟光伏组件输出特性。

本发明的技术关键点和保护点在于提出提供了一种适用于光伏电池的工程简化仿真模型，该模型可以反映太阳能辐射强度、环境温度的瞬态变化对光伏电池运行状态的影响。仿真过程中仅需给出环境温度、光照强度及组件的端口电压即可模拟光伏组件的输出特性。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述的方法包括：

获取光伏电池的标准参数；

根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

2.如权利要求1所述的光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述的光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压、光生电流、光伏电池负载两端的电压、标准状态下的光伏电池的短路电流、标准状态下的光伏电池的开路电压、标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电流及标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电压。

3.如权利要求2所述的光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述的根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流包括：

根据所述光伏电池的标准参数和式(1)确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻；其中，式(1)为：

$R_s=\frac{k\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{scb}}})+U_{\mathrm{oc}}-U_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{mb}}},k=\frac{\mathrm{AkT}}{q}$

根据所述标准参数和式(2)确定光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；其中，式(2)为：

$I_0=\frac{I_{\mathrm{scb}}}{\exp \frac{q{U}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AkT}}}$

I_scb为标准状态下光伏电池的短路电流；

U_oc为光伏电池的开路电压；

I_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电流；

U_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电压；

q为电荷量，值为1.6×10^-19C；

k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/K；

T为环境温度；

A为P-N结的曲线常数，其值在1～2之间变化。

4.如权利要求3所述的光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述的根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流包括：

根据所述标准参数、等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及式(3)确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；其中，式(3)为：

$I_L=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \left(\frac{q(U+I_L{R}_s)}{\mathrm{AkT}}\right)-1]$

I_L为光伏电池仿真模型的输出负载电路；I_ph为光生电流；

U为光伏负载两端的电压。

5.如权利要求4所述的光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述的方法包括：利用MATLAB根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

6.一种光伏电池仿真模型建立装置，其特征在于，所述的装置包括：

参数获取模块，用于获取光伏电池的标准参数；

第一仿真参数确定模块，用于根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻和光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；

第二仿真参数确定模块，用于根据所述标准参数、等效串联电阻以及等效二极管P-N结方向饱和电流确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；

模型建立模块，用于根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。

7.如权利要求6所述的光伏电池仿真模型建立装置，其特征在于，所述的光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压、光生电流、光伏电池负载两端的电压、标准状态下的光伏电池的短路电流、标准状态下的光伏电池的开路电压、标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电流及标准状态下光伏电池的光伏电池最大功率点的电压。

8.如权利要求7所述的光伏电池仿真模型建立装置，其特征在于，所述的第一仿真模型确定模块包括：

等效串联电阻确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和式(1)确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻；其中，式(1)为：

$R_s=\frac{k\ln (1-\frac{I_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{scb}}})+U_{\mathrm{oc}}-U_{\mathrm{mb}}}{I_{\mathrm{mb}}},k=\frac{\mathrm{AkT}}{q}$

饱和电流确定单元，用于根据所述标准参数和式(2)确定光伏电池内部等效二极管P-N结方向饱和电流；其中，式(2)为：

$I_0=\frac{I_{\mathrm{scb}}}{\exp \frac{q{U}_{\mathrm{oc}}}{\mathrm{AkT}}}$

I_scb为标准状态下光伏电池的短路电流；U_oc为光伏电池的开路电压；

I_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电流；

U_mb为标准状态下光伏电池的最大功率点的电压；

q为电荷量，值为1.6×10^-19C；

k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/K；T为环境温度；

A为P-N结的曲线常数，其值在1～2之间变化。

9.如权利要求8所述的光伏电池仿真模型建立装置，其特征在于，所述的第二仿真参数确定模块根据所述标准参数、等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及式(3)确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；其中，式(3)为：

$I_L=I_{\mathrm{ph}}-I_0[\exp \left(\frac{q(U+I_L{R}_s)}{\mathrm{AkT}}\right)-1]$

I_L为光伏电池仿真模型的输出负载电路；

I_ph为光生电流；

U为光伏负载两端的电压。

10.如权利要求9所述的光伏电池仿真模型建立装置，其特征在于，所述的装置包括：MATLAB仿真模块，利用MATLAB根据所述等效串联电阻、等效二极管P-N结方向饱和电流以及输出负载电流搭建光伏电池仿真模型。