PSCAD光伏电池仿真模型

杨博文， 王 蔚， 张 鑫

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

随着社会进步和工业的飞速发展，生产力发展水平也在逐渐进步。然而随之而来存在许多问题，如森林的大肆砍伐、化石燃料的过度开发等。随着这些问题的日益突出，寻找可再生的新能源尤为重要，光伏发电正好符合要求。光伏发电具有可再生、易存储、无污染,发电、供电、用电在同一地区等特点。基于上述诸多特点，光伏电池的研发、市场化受到全球各个国家，特别是发达国家的关注。

在电力系统中，建立符合光伏发电系统运行特性仿真模型，在后续光伏发电系统研究中具有十分重要的参考价值。

1 光伏阵列的数学模型

太阳能电池等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

由图1可知，根据基尔霍夫定律

I=Iph-Id-Ish,

(1)

则

(2)

式中：Rsh——并联电阻；

I——输出电流；

Iph——光生电流；

I0——饱和电流；

q——单位电子常量；

A——PN结曲线系数；

k——波尔兹曼常数；

T——电池温度；

U——输出电压；

Rs——串联电阻。

2 光伏阵列模型的建立与仿真

光伏电池仿真模型如图2所示。

图2 光伏电池仿真模型

光伏电源由两个串联的光伏阵列原件构成，研究光照强度对光伏电池曲线的影响也要考虑到无光照情况，所以该模型对第1个阵列设置阴影遮挡，第2个光伏阵列模块模拟10个阵列。光伏阵列的输出通过电阻跟直流电源相连，其中二极管抑制功率反向。

直流电压源是用直流叠加1 Hz的交流分量构成进行模拟。

光伏阵列1和2的参数设置如图3所示。

图3 光伏阵列参数设置

2.1 无阴影遮挡时仿真情况

光伏阵列1和2的温度都设置为50 ℃，光照强度分别设置为600 W/m2和900 W/m2时得到的输出I-V和P-V曲线分别如图4和图5所示。

图4 温度50 ℃，光照600 W/m2特性曲线

图5 温度50 ℃，光照900 W/m2特性曲线

为了研究温度对光伏输出特性的影响，光伏阵列1和2的温度都设置60 ℃，光照强度分别设置为600 W/m2和900 W/m2时得到的输出I-V和P-V曲线分别如图6和图7所示。

图6 温度60 ℃，光照600 W/m2特性曲线

图7 温度60 ℃，光照900 W/m2特性曲线

从图4～图7可知，当温度相同，光照强度增大时，阵列短路电流增大较为明显，开路电压增加不明显，阵列输出功率会有明显变化。

2.2 有阴影遮挡时仿真情况

有无阴影遮挡影响的是光照强度，设置两组阵列的温度都为50 ℃，阵列2的光照强度是800 W/m2，阵列1的光照强度分别为阵列2的60%和100%，同时保持两个阵列的反向并联二级管不投入。得到下列几组光伏输出特性曲线分别如图8和图9所示。

图8 温度50 ℃，阵列2光照强度为800 W/m2，阵列1光照强度为阵列2的60%特性曲线

图9 温度50 ℃，阵列2光照强度为800 W/m2，阵列1光照强度为阵列2的100%特性曲线

2.3 有阴影有反向并联二级管参与情况下的仿真

设置阵列温度为50 ℃，阵列2的光照强度是800 W/m2，阵列1的光照强度为阵列2的60%，同时保持两个阵列反向并联二级管投入,得到光伏输出特性曲线如图10所示。

图10 温度50 ℃，阵列2光照强度为800 W/m2，阵列1光照强度为阵列2的60%特性曲线

图10是图8在同等条件下但有反向并联二级管情况下的输出特性曲线。在有反向并联二级管的条件下，阵列的短路电流和输出功率比无反向并联二级管大。说明同时有阴影遮挡的情况下，反向并联二级管起到了一定的作用。主要原因是无反向并联二级管时被遮挡的阵列将出现反向电压，从而消耗了功率，导致输出功率变小。

3 结 语

应用pscad仿真软件搭建了光伏阵列数学模型。该模型分析了光伏阵列的P-V和I-V非线性特性。经比较分析，光伏电池阵列模型输出符合实际阵列输出特性，电流、输出电压与光照强度和温度特性关系曲线符合实际。该模型为光伏发电系统仿真提供基本参考模型，为后续控制方法验证提供基础条件。