組件輸出仿真模型可以通過半物理模型或數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)，根據(jù)應(yīng)用場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)際工作中遇到的問題這兩個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，輸出的太陽電池板的開路電壓。

模型的上半部分是模擬了旁路二極管部分，‘By-pass diode’是一個二極管，選擇器可選擇是否加載旁路二極管，通過‘Diode’和‘Switch’部分的添加來確定。

將上述子模塊‘封裝’并進(jìn)行‘并聯(lián)’，如下圖由三個子系統(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，樹蔭、供電電纜、云塊、甚至是鳥類排泄物等都會造成太陽能光伏板部分被遮擋，而遮擋現(xiàn)象會對光伏系統(tǒng)造成很大影響。通過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，其可以通過標(biāo)準(zhǔn)溫度下光伏組件Voc、Isc及Rsh等參數(shù)通過下式獲得：

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：