【模型介绍】PSIM可再生能源模块应用——太阳电池模型

为了方便用户定义特定太阳能模块的参数，PSIM的“实用程序”菜单中提供了一个名为“太阳能模块（物理模型）”的实用工具，用户可以通过图形化的方法快速建立太阳电池模型并用于仿真分析。

PSIM中太阳电池物理模型符号及属性参数如图1所示。在符号中，具有“+”和“-”符号的节点是正端子和负端子。有字母“S”的节点表示光强输入（单位为 W/m2），有字母“T”的节点表示环境温度输入 （单位为度℃）。顶部的节点是在工作条件下的理论最大功率。正极端子节点和负极端子节点均为电源电路节点，其他节点均为控制电路节点。

图1、太阳电池物理模型符号及属性参数

太阳电池物理模型参数如表1所示。。

下面以BP太阳能公司的MSX-60太阳电池为例，说明了如何利用“太阳能模块（物理模型）”工具获取模型参数。该过程包括以下步骤：

- 输入数据手册中的信息；

- 初步猜测某些参数；

- 获得I-v和P-v曲线，以及最大功率点。比较不同工况下的数据手册和实验数据，并对参数进行微调。

图2显示了制造商数据手册图像，以及与制造商数据表相关的实用工具对话框窗口的区域。

图2、太阳电池数据手册及建模工具对话框

该区域所需的所有信息，除了Voc处的dv/di值外，其他红色矩形突出显示的部分可以直接从数据手册中读取。在数据手册中，开路电压的温度系数用V/℃表示。对于工具，将其转换为%/℃：

 “Voc下的dv/di（斜率）”是指开路电压Voc为21.1V时的dv/di斜率。可以根据数据手册中的I-V特性曲线，通过读取图中的值（用红色虚线标记），近似地计算斜率：

如果数据表上没有I-V曲线，则将dv/di值保留为0。

一个较好的初步猜测如下：

- 带能Eg对于晶体硅是1.12ev左右，对于非晶硅大约是2ev；

- 理想因子A对于晶体硅的初始估计值是2左右，而非晶硅的理想因子A小于2；

- 分流电阻Rsh一个很好的初步猜测是几千欧姆；

- 系数Ks如果未知，可将其初始值设置为0。 

本例设置如下： 

Eg = 1.12

A = 1.2

Rsh = 1000

Ks = 0

根据数据手册信息和Eg、A、Rsh和Ks的初始猜测，可通过单击“计算参数”按钮计算其余参数（串联电阻Rs、短路电流Isc0、饱和电流Is0和温度系数Ct）。本例计算得到的参数值如下：

Rs = 0.0108 

Isc0 = 3.8 

Is0 = 2.16e-8 

Ct = 0.00247

请注意，计算是近似的，并且只提供基础值。用户可以随意调整这些参数，使计算的I-V曲线与数据手册曲线或实验结果相吻合。

在本例中，如果我们将串联电阻Rs更改为0.008欧姆，则计算出的最大功率点为：Pmax=60.54 W，Vmax=17.04V，Imax=3.55 A，这更接近数据表中的值。

图3、太阳电池建模工具输出界面

要将数据表和参数值保存到文本文件中以便以后使用，请单击“保存”按钮，并将其保存到文件（例如“Solarex MSX-60.txt”）。要重新加载特定太阳能模块的数据，请单击“加载”按钮。

在PSIM中建立了如下所示的太阳能物理模型测试电路。

图4、太阳电池物理模型测试电路

图5为仿真结果，红色为最大功率值，蓝色为输出功率曲线。

图5、功率输出与最大功率仿真结果

从仿真结果可以看出，功率曲线的最高点与功率最大值重合，通过PSIM太阳电池工具建立的太阳电池物理模型精度很高，能够很好地满足用户需求。

几个相同的太阳能模块串联连接形成一个太阳能电池阵列。可以使用太阳能模块实用工具对太阳能电池阵列进行建模，如图6所示，红色框中的参数输入突出显示了差异。

图6、太阳电池建模工具串联建模输出界面

请注意，当多个模块串联连接时，如果光强度和环境温度输入不同，则每个模块之间都需要一个旁路二极管。此外，每个模块之间都需要一个非常小的电容器（在这种情况下为30 nF），以实现数值收敛。通过建模工具，建立串联模型，如下图所示。

图7、串联等效电路

图8、串联模型参数设置

对串联模块进行仿真分析，输出最大功率波形，如图9所示。

图9、串联建模输出最大功率波形比较

两个串联连接的太阳能模块书输出最大功率之和和组合体单个模块的输出波形能够很好地吻合，串联建模能够满足使用要求。

几个相同的太阳能模块并联连接以形成一个太阳能电池阵列。可以使用太阳能模块对太阳能电池阵列进行建模。图10为单个模块和组合块的“太阳能模块实用工具”对话框，红色框中的参数输入突出显示了差异。

图10、太阳电池建模工具并联建模输出界面

图11显示了两个并联连接的太阳能模块Solarex MSX-60，以及一个模拟两个模块的组合模块。图12为参数设置，与单个太阳能模块的参数相比，组合模块的某些参数有所不同。

图11、 并联等效电路

图12、并联模型参数设置

对串联模块进行仿真分析，输出最大功率波形，如图13所示。

图13、并联建模输出最大功率波形比较

两个并联连接的太阳能模块书输出最大功率之和和组合体单个模块的输出波形能够很好地吻合，并联建模能够满足使用要求。

PSIM提供的太阳电池物理模型及建模工具，基于图形化界面，可以帮助用户根据厂商数据手册和实验数据快速建立符合工程应用要求的模型，对可再生能源领域的研究与应用具有重要意义。