计算机仿真法介绍：对太阳能光伏系统进行最优设计

计算机仿真法主要用来对太阳能光伏系统进行最优设计以及确定运行模式。仿真时通常以一年为对象，利用日照量、温度、风速以及负载等数据进行8760h的连续计算，决定太阳能光伏系统的太阳电池方阵容量、蓄电池容量、负载的非线性电压电流特性以及运行工作点等。

7.3.2.1 各部分的数学模型

1. 太阳电池方阵

对太阳电池方阵进行数学仿真时一般使用下列数学模型:

I=Iph－I0［exp(q(V+RsI) /nk T) －1］－ (V+RsI) /Rsh　(7.9)

式中: I——太阳电池输出电流;

V——太阳电池输出电压;

Iph——光激励电流;

I0——二极管饱和电流;

q——电子的电荷;

Rs——内部串联电阻(Series Resistance);

n——二极管因子;

k——波耳兹曼常数;

T——太阳电池温度 (K);

Rsh——并联电阻(Shunt Resistance)。

通常，对单晶硅、多晶硅的太阳电池来说，Rsh可忽略不计。太阳电池的等价电路如图7.1所示它由流过与太阳光的强度成正比的电流的电流源、二极管并联电阻、串联电阻构成。

图7． 1 太阳电池的等价电路

由于太阳电池的输出随温度上升而下降，因此需要对太阳电池的输出进行温度修正。常见的有两种方法，一种是使用温度修正系数的方法，另一种是使用二极管的温度特性的方法。因为理想二极管的温度特性在很大程度上依赖于饱和电流I0的温度特性，因此一般用二极管的温度特性来加以修正。饱和电流的温度特性如下式所示:

I0=C1T3exp(－Eg O/k T)　(7． 10)

式中: C1——常数;

Eg O——绝对零度时禁带的宽度。

太阳电池的温度受气象条件的影响，与标准状态下的输出特性不同。太阳电池的温度一般高于气温，受日照、风等因素的影响，日光照射时温度上升，有风时温度则下降。因此需要考虑太阳电池组件的构造、方阵的设置方法等，并根据技术资料或试验数据对太阳电池方阵的温度上升加以修正。

2. 铅蓄电池

太阳能光伏系统中常用铅蓄电池 (Lead Acid Battery) 储存电能，这里以铅蓄电池为例说明其数学模型。铅蓄电池的等价电路如图7.2所示，由铅蓄电池的输出电压源与串联电阻组成，其数学表达式如下:

Vb=Eb－IbRsb　(7.11)

式中: Vb——铅蓄电池的端电压;

Eb——铅蓄电池的电压;(www.xing528.com)

Ib——铅蓄电池的充放电电流;

Rsb——铅蓄电池的内阻。

蓄电池一般由Nbs个蓄电池串联，Nbp个蓄电池并联构成铅蓄电池系统。因此，蓄电池的端电压为VB=VbNbs，电流为IB=IbNbp，所使用的蓄电池的数量可由Nbs与Nbp的乘积得到。

图7.2 铅蓄电池的等价电路

3. 逆变器

逆变器的数学模型需要考虑无负载损失，输入电流损失以及输出电流损失等因素，其数学表达式如下:

Io=Piη/ (Voφ)　(7.12)

Ii=Pi/Vi　(7.14)

η=Po/Pi　(7.15)

Po=VoIo　(7.16)

式中: Vi——逆变器的输入电压;

Ii——逆变器的输入电流;

Pi——逆变器的输入功率;

Vo——逆变器的输出电压;

Io——逆变器的输出电流;

Po——逆变器的输出功率;

φ——功率因素;

η——逆变器效率;

Lo——逆变器无负载损失;

Ri——逆变器等价输入电阻;

Ro——逆变器等价输出电阻。

无负载损失与负载无关，为一常数。电流损失一般可分为输入侧与输出侧来加以考虑。另外，如果逆变器具有最大功率点跟踪控制，由于逆变器的输入电压与方阵的最大功率点的工作电压一致，因此逆变器可以在保持最大功率点的状态下工作。此时逆变器的输入电流与方阵的最大功率点的工作电流一致。

实际上，逆变器由于受跟踪响应与日照变动等因素影响，对最佳工作点的跟踪并非理想，一般会偏离最大功率点。因此，计算机仿真时以秒为单位进行仿真，可使计算结果更加精确。

7.3.2.2 计算机仿真用标准气象数据

计算机仿真时需要使用太阳能光伏系统设置地点的标准气象数据，如户外温度、直达日照量、风向、风速、云量等。根据负载的要求、标准气象数据以及方阵的面积可以算出方阵的出力、蓄电池容量、逆变器的大小等。