基于Proteus平臺的光伏電池建模及特性仿真

蘭建軍 關碩 胡永馳

摘要：為使學生更加深入的了解和掌握光伏電池特性及其發電原理，提出一種基于Proteus平臺的光伏電池建模及其發電原理實驗方案。方案依據光伏電池等效電路和光伏電池生產廠家提供的特性參數，詳細介紹了Proteus平臺中光伏電池SPICE模型建模及其特性曲線測試方法。測試結果表明，構建的光伏電池仿真模型完全可以滿足光伏發電過程虛擬仿真應用的要求，值得推廣和借鑒。

關鍵詞：光伏電池;光伏發電;Proteus;建模;虛擬仿真

中圖分類號：TP399? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：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境問題的日益突出，新能源的發展得到了廣泛的重視。分布式光伏發電以其獨特的優勢對大電網供電形成有益的互補，并且在不遠的將來會占據能源消費的重要席位[1]。為充分了解光伏電池特性及其發電原理，依托MATLAB等軟件平臺進行光伏電池的建模及其相關特性的仿真研究是較為常用的方案[2-5]。但是MATLAB中無法實現微處理和元件級電路的仿真，也無法結合微處理器進行程序代碼調試和仿真。Proteus是一款著名的EDA工具，可以實現從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路的協同仿真，一經推出后，就得到廣大單片機開發工作者的青睞[6-8]。

本文提出的基于Proteus平臺的光伏電池建模及其發電原理實驗方案，只需要依據光伏電池等效電路和光伏電池生產廠家提供的主要參數，就可在Proteus軟件中完成光伏電池仿真模型構建，依托構建的光伏電池模型不僅可以開設光伏電池特性曲線測試等基本實驗，還可開設各種光伏發電過程虛擬仿真等綜合性實驗內容，打破學生傳統驗證性實驗思維方式，提高學生自主綜合設計能力。

1 光伏電池模型

目前，光伏電池通常采用有4種數學模型進行描述[9]，其中，五參數光伏電池等效電路模型是最為常用的數學模型，非常適用于光伏系統相關參數測量及電子電路仿真應用。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、并聯電阻和串聯電阻構成，光伏電池輸出電流I可以通過式（1）進行描述。

[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，為了能夠模擬實際光伏電池特性，需要構建光伏電池仿真模型，Proteus中使用的SPICE模型是SPICE3F5工業標準。因此，可以在Proteus中利用SPICE模型構建光伏電池SPICE模型的原理圖電路，設計的光伏電池模型原理圖如圖2所示。

本次建模使用的參數來取自MSX-60光伏電池生產廠家提供的參數，其具體的參數數據如表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的電壓設定為3.8V，壓控電流源ACS1傳遞函數為1.0*V（A，B），用于模擬光伏電池短路電流3.8A。并聯電阻RSH和串聯電阻參數分別設置為153.5644 Ω和0.38572Ω。

為保證構建的光伏電池模型和實際光伏電池特性一致，仿真電路模型中二極管D的SPICE模型進行了改進[12]，相關參數設置為{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中設計了如圖3所示的模型特性測試電路。利用直流電壓源V2來模擬負載，其電壓值設置成變量x。在模型電路輸出端分別添加直流電流探針IPV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，其輸出將發生變化。可在Proteus軟件中利用轉移特性圖表（TRANSFER）測試光伏電池在不同光照條件下的功率分布特征，因此，設計了如圖5所示的測試電路。

其中，負載由直流電壓信號源Vld模擬，電壓變化范圍0～21.1V，仿真步數為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源Vi模擬，掃描范圍0～3.8V，用于模擬環境光照度從100W/m2到1000W/m2變化，仿真步數為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 結語

本文提出的基于Proteus平臺的光伏電池建模方案及其發電原理實驗方案，只需要依據光伏電池等效電路和光伏電池生產廠家提供的產品數據參數就可實現光伏電池的快速建模。各種仿真測試結果表明，構建的光伏電池模型可以應用于光伏發電過程的仿真研究，可有效解決實驗設備受限問題，豐富實驗內容，極大程度地提高了學生自主綜合設計和開發能力的培養。方案切實有效，值得推廣和借鑒。

參考文獻：

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

[2] 薛午陽.基于Matlab的光伏電池模擬電源設計[J].電源技術，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，2013，37（8）： 1396-1399.

[4] 李正明.局部遮擋下光伏電池的數學建模與仿真研究[J].電源技術，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輸出特性分析[J].電工技術學報，2015，30（24）：128-134.

[6] 蘭建軍.Proteus軟件在電子工藝實訓中的應用[J].電腦知識與技術，2016，12（2）：107-108.

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

[8] 孫萬麟.計算機接口技術課程教學改革實踐[J].電腦知識與技術，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函數的太陽電池組件參數提取及優化[J].太陽能學報，2014， 35（8）： 1429-1433.

[11] 師楠，周蘇荃.基于Bezier函數的光伏電池建模[J].電網技術，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.