組件輸出仿真模型可以通過(guò)半物理模型或數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同可以選擇不同模型觀察和研究組件特性。例如半物理模型相對(duì)比較直觀適合用于研究單塊組件在不同外部條件下其輸出變化，而在大規(guī)模系統(tǒng)仿真中則數(shù)學(xué)模型比較適用了。

以下分別對(duì)半物理模型和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹，按照這些年的實(shí)際工作中遇到的問(wèn)題這兩個(gè)模型基本能夠覆蓋應(yīng)用分析的目的了。

光伏組件半物理模型

根據(jù)在電池模型中介紹的二極管模型，可用Simulink搭建出光伏組件仿真模型，例如下圖所示構(gòu)建的一個(gè)子系統(tǒng)。下圖模型中的下半部分是光伏組件的主要部分，下面的‘Id’是中間的二極管的PN節(jié)特性，‘Rp’是并聯(lián)電阻，‘Rs’是串聯(lián)電阻，輸出的太陽(yáng)電池板的開(kāi)路電壓。

模型的上半部分是模擬了旁路二極管部分，‘By-pass diode’是一個(gè)二極管，選擇器可選擇是否加載旁路二極管，通過(guò)‘Diode’和‘Switch’部分的添加來(lái)確定。

將上述子模塊‘封裝’并進(jìn)行‘并聯(lián)’，如下圖由三個(gè)子系統(tǒng)（分別代表實(shí)際組件中有一組二極管管理的電池串）構(gòu)成一個(gè)組件系統(tǒng)，即可建立一塊組件的仿真模型，研究實(shí)際組件在不同工況下的輸出特征。

案例分析，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，樹(shù)蔭、供電電纜、云塊、甚至是鳥(niǎo)類(lèi)排泄物等都會(huì)造成太陽(yáng)能光伏板部分被遮擋，而遮擋現(xiàn)象會(huì)對(duì)光伏系統(tǒng)造成很大影響。通過(guò)上圖模型模擬光伏組件部分阻擋條件下的輸出特性。

分別分析4種設(shè)定工況下組件的輸出曲線：

工況1.無(wú)遮擋模式，光照強(qiáng)度為1000W/m2；

工況2.遮擋且有旁路二極管模式，光照分別為1000、1000、700W/m2；

工況3.遮擋且有旁路二極管模式，光照分別為1000、500、100W/m2；

工況4.遮擋且沒(méi)有旁路二極管模式，光照分別為1000、500、100W/m2；

仿真結(jié)果如下，其中IV曲線中最大功率點(diǎn)即為理論上在相應(yīng)工況下光伏組件能輸出的最大功率。

光伏組件數(shù)學(xué)模型

光伏組件外特性曲線可以通過(guò)等效二極管模型的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，即下式表述方程

k B ，波爾茲曼常數(shù)，1.380649×10^-23^J/K；

n，光伏組件等效理想因子，通常設(shè)定1~2之間的值；

I L ，光生電流，其為輻照度與溫度的函數(shù)：

G ref =1000W/m2；T C,ref =298K；

G，光伏組件受到的實(shí)際輻照；

α Isc ，光伏組件電流溫度系數(shù)；

T c ，光伏組件工作溫度；

I 0 ，光伏組件等效反向飽和電流，除本身器件特性外I0主要受溫度影響：

I 0,ref ，298K標(biāo)準(zhǔn)溫度下組件的等效反向飽和電流，其可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溫度下光伏組件Voc、Isc及Rsh等參數(shù)通過(guò)下式獲得：

εG,ref及ε G ，材料在298K或Tc溫度下的能帶寬度，單位為焦耳J（1eV=(1.60217733±0.000000 49)×10^-19^J）；

硅材料約為1.12eV，對(duì)于硅由于晶格的熱膨脹，禁帶寬度Eg隨溫度的增加而減小，其與溫度的關(guān)系在SPICE中計(jì)算方程為

Rs，光伏組件等效串聯(lián)電阻，其為輻照度與溫度的函數(shù)：

輻照度/溫度對(duì)串聯(lián)等效電阻Rs影響

R s,ref ，298K標(biāo)準(zhǔn)溫度下組件的等效串聯(lián)電阻；

Rsh，光伏組件等效并聯(lián)電阻，其為輻照度與溫度的函數(shù)：

V mpp,ref ，298K標(biāo)準(zhǔn)溫度下組件最大功率點(diǎn)電壓；

β Voc ，光伏組件電壓溫度系數(shù)；

R sh,ref ，298K標(biāo)準(zhǔn)溫度下組件的等效并聯(lián)電阻；

以下是利用上述數(shù)學(xué)模型按照特定分布規(guī)律隨機(jī)生成大量光伏組件電性能輸出曲線的MATLAB程序演示：