基于Proteus平臺(tái)的光伏電池建模及特性仿真

蘭建軍 關(guān)碩 胡永馳

摘要：為使學(xué)生更加深入的了解和掌握光伏電池特性及其發(fā)電原理，提出一種基于Proteus平臺(tái)的光伏電池建模及其發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)方案。方案依據(jù)光伏電池等效電路和光伏電池生產(chǎn)廠家提供的特性參數(shù)，詳細(xì)介紹了Proteus平臺(tái)中光伏電池SPICE模型建模及其特性曲線測試方法。測試結(jié)果表明，構(gòu)建的光伏電池仿真模型完全可以滿足光伏發(fā)電過程虛擬仿真應(yīng)用的要求，值得推廣和借鑒。

關(guān)鍵詞：光伏電池;光伏發(fā)電;Proteus;建模;虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TP399? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：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

隨著化石能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，新能源的發(fā)展得到了廣泛的重視。分布式光伏發(fā)電以其獨(dú)特的優(yōu)勢對大電網(wǎng)供電形成有益的互補(bǔ)，并且在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)能源消費(fèi)的重要席位[1]。為充分了解光伏電池特性及其發(fā)電原理，依托MATLAB等軟件平臺(tái)進(jìn)行光伏電池的建模及其相關(guān)特性的仿真研究是較為常用的方案[2-5]。但是MATLAB中無法實(shí)現(xiàn)微處理和元件級電路的仿真，也無法結(jié)合微處理器進(jìn)行程序代碼調(diào)試和仿真。Proteus是一款著名的EDA工具，可以實(shí)現(xiàn)從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真，一經(jīng)推出后，就得到廣大單片機(jī)開發(fā)工作者的青睞[6-8]。

本文提出的基于Proteus平臺(tái)的光伏電池建模及其發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)方案，只需要依據(jù)光伏電池等效電路和光伏電池生產(chǎn)廠家提供的主要參數(shù)，就可在Proteus軟件中完成光伏電池仿真模型構(gòu)建，依托構(gòu)建的光伏電池模型不僅可以開設(shè)光伏電池特性曲線測試等基本實(shí)驗(yàn)，還可開設(shè)各種光伏發(fā)電過程虛擬仿真等綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，打破學(xué)生傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)思維方式，提高學(xué)生自主綜合設(shè)計(jì)能力。

1 光伏電池模型

目前，光伏電池通常采用有4種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述[9]，其中，五參數(shù)光伏電池等效電路模型是最為常用的數(shù)學(xué)模型，非常適用于光伏系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)測量及電子電路仿真應(yīng)用。光伏電池等效電路如圖1所示[10，11]。其主要由光電流、二極管、并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻構(gòu)成，光伏電池輸出電流I可以通過式（1）進(jìn)行描述。

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

式中：I為光伏電池的輸出電流;Iph為光生電流;I0為二極管反向飽和電流;q為單位電荷量;V為光伏電池輸出電壓;Rs為等效串聯(lián)電阻;Ns為二極管理想因子;K為玻爾茲曼常量;T為電池溫度;Rsh為等效并聯(lián)電阻。

2 光伏電池建模

由于Proteus中沒有光伏電池仿真模型，為了能夠模擬實(shí)際光伏電池特性，需要構(gòu)建光伏電池仿真模型，Proteus中使用的SPICE模型是SPICE3F5工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，可以在Proteus中利用SPICE模型構(gòu)建光伏電池SPICE模型的原理圖電路，設(shè)計(jì)的光伏電池模型原理圖如圖2所示。

本次建模使用的參數(shù)來取自MSX-60光伏電池生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)，其具體的參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。光伏電池等效電路中的光電流IPH由壓控電流源來模擬，電壓源V1的電壓設(shè)定為3.8V，壓控電流源ACS1傳遞函數(shù)為1.0*V（A，B），用于模擬光伏電池短路電流3.8A。并聯(lián)電阻RSH和串聯(lián)電阻參數(shù)分別設(shè)置為153.5644 Ω和0.38572Ω。

為保證構(gòu)建的光伏電池模型和實(shí)際光伏電池特性一致，仿真電路模型中二極管D的SPICE模型進(jìn)行了改進(jìn)[12]，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為{RS=0.03，N=35.09424，IS=2.5245e-10，TEMP=25}。

3 光伏電池特性測試

3.1 基本特性測試

為了解光伏電池I-V和P-V特性，在Proteus中設(shè)計(jì)了如圖3所示的模型特性測試電路。利用直流電壓源V2來模擬負(fù)載，其電壓值設(shè)置成變量x。在模型電路輸出端分別添加直流電流探針I(yè)PV和直流電壓探針VPV，就可以利用直流掃描圖表分析工具（DC SWEEP）進(jìn)行掃描測試，仿真圖表前，直流掃描圖表分析工具的掃描變量選擇為變量x，掃描變化范圍設(shè)置為0V～21.1V（Voc）。仿真圖表后可獲得如圖4所示的光伏電池模型特性曲線，其中，PPV為P-V特性曲線，IPV為I-V特性曲線。對比仿真獲取的特性曲線和MSX-60電池廠家提供的特性曲線，二者特性一致。

3.2 不同光照下P-V特性測試

光伏電池在不同的光照條件下，其輸出將發(fā)生變化。可在Proteus軟件中利用轉(zhuǎn)移特性圖表（TRANSFER）測試光伏電池在不同光照條件下的功率分布特征，因此，設(shè)計(jì)了如圖5所示的測試電路。

其中，負(fù)載由直流電壓信號(hào)源Vld模擬，電壓變化范圍0～21.1V，仿真步數(shù)為50步，用于模擬不同的光伏電池輸出電壓;壓控電流源ACS的控制電壓由直流電壓信號(hào)源Vi模擬，掃描范圍0～3.8V，用于模擬環(huán)境光照度從100W/m2到1000W/m2變化，仿真步數(shù)為10步（步長100W/m2）。仿真圖表后，可以獲得如圖6所示的不同光照條件下光伏電池P-V特性曲線。

4 結(jié)語

本文提出的基于Proteus平臺(tái)的光伏電池建模方案及其發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)方案，只需要依據(jù)光伏電池等效電路和光伏電池生產(chǎn)廠家提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)光伏電池的快速建模。各種仿真測試結(jié)果表明，構(gòu)建的光伏電池模型可以應(yīng)用于光伏發(fā)電過程的仿真研究，可有效解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備受限問題，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，極大程度地提高了學(xué)生自主綜合設(shè)計(jì)和開發(fā)能力的培養(yǎng)。方案切實(shí)有效，值得推廣和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孔凡太，戴松元.我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來展望[J]，中國工程科學(xué)，2016，18（4）：51 -54.

[2] 薛午陽.基于Matlab的光伏電池模擬電源設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2018，42（3）：413-415.

[3] 馬帥旗.太陽能光伏電池建模及V-I特性研究[J].電源技術(shù)，2013，37（8）： 1396-1399.

[4] 李正明.局部遮擋下光伏電池的數(shù)學(xué)建模與仿真研究[J].電源技術(shù)，2018，42（1）：71-74.

[5] 王豐，孔鵬舉.基于分布式最大功率跟蹤的光伏系統(tǒng)輸出特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（24）：128-134.

[6] 蘭建軍.Proteus軟件在電子工藝實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（2）：107-108.

[7] 朱嶸濤.Proteus仿真軟件在自動(dòng)化專業(yè)課程中的應(yīng)用研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13 （3）：200-201.

[8] 孫萬麟.計(jì)算機(jī)接口技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（5）：112-113.

[9] Sotirios I. Nanou， Stavros A. Papathanassiou. Modeling of a PV system with grid code compatibility[J]. Electric Power Systems Research， 2014， （116）： 301-310.

[10] 孫以澤，彭樂樂.基于Lambert W函數(shù)的太陽電池組件參數(shù)提取及優(yōu)化[J].太陽能學(xué)報(bào)，2014， 35（8）： 1429-1433.

[11] 師楠，周蘇荃.基于Bezier函數(shù)的光伏電池建模[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（8）：2195-220 0.

[12] S.Motahhir. Modeling of PV panel by using Proteus[J]. Journal of Engineering Science & Technology Review， 20 17， 10（2）： 8-13.