国际电气工程先进技术译丛 光伏系统的PSpice建模.pdf

国际电气工程先进技术译丛光伏系统的 PSpice 建模西Luis CastaerSantiago Silvestre 著张晓强 张卫平 刘元超 赵一阳 张 懋 译机 械 工 业 出 版 社 本书首先介绍了光伏(PV）系统的一些基本定义和基础理论知识，在此基础上利用计算机仿真软件PSpice 对PV 系统进行建模。本书主要内容包括PV 系统的光谱响应与短路电流，太阳电池的电气特性，太阳电池阵列、PV 模块和PV 发电组件，PV 模块与负载和蓄电池连接的建模，功率调节器和逆变器的建模，最后介绍了独立 PV 系统和并网PV 系统以及小型PV 系统。本书适合于从事PV 系统、PV 电池研究的科研工作人员或企业研发人员参考，同时可作为该专业的高校本科生、研究生和教师的参考用书。译者序随着化石能源的枯竭和能源损耗量的持续增加，太阳能利用成为全世界关注的热点问题之一。基于通用的电路分析软件 PSpice，本书介绍光伏（PV)发电系统的定量分析和仿真技术，涵盖了 PV 系统的主要基础知识和工程应用。全书分为 9 章。第 1 章主要介绍太阳辐射、标准光谱和通用计算机仿真软件（PSpice)的基础知识。第 2 章介绍光谱响应及其 PV 电池短路电流的 PSpice 简化模型。第 3 章介绍 PV 电池的伏安特性及其环境影响。第 4 章分别介绍太阳电池阵列、地面 PV 模块以及 PV 发电组件建模方法。第5 章介绍 PV 模块与典型负载匹配以及蓄电池连接的建模。第 6 章介绍功率调节器与逆变器建模。第 7 章介绍独立运行的 PV 系统。第8 章介绍并网 PV 系统。第9 章给出若干典型的小功率 PV 应用系统。本书提供了用 PSpice 仿真研究 PV 发电系统主要问题的核心技术，是一部用数值仿真技术研究工程问题的专著。虽然本书涉及半导体物理学、电力电子学、电工学及计算机仿真等学科的基础知识，但关键问题的叙述通俗易懂，简单实用。所以，译者认为本书可作为电力电子工程技术人员和大专院校师生学习 PV 发电系统的参考用书。本书在翻译过程中得到了清华大学陈建业教授、浙江大学吴兆麟教授、合肥工业大学张兴教授、北方工业大学杨兵副教授等人的校对，在此表示深深的谢意。本书的出版得到国家自然科学基金项目：光伏发电系统 PV 阵列串并联功率优化技术的研究（NO.51277004)的资助，在此表示感谢。由于译者对原著的理解不够透彻，难免有“望文生义”之嫌，恳请同行学者及前辈不吝赐教，雅正为盼！译 者2014 年 10 月 1 日原书序光伏（PV)工程深深植根于半导体物理学中太阳电池的理论和技术，并十分依赖电气与电子工程系统分析和设计，是一个多学科专业。PV 系统的概念、设计和分析这些重要任务通常需要计算机的帮助以进行快速、准确的计算或模拟。如今的工程师和相关领域的专业人员，甚至不同技术学科的学生也能够使用计算机，并能熟练运用专业软件。计算机辅助技术对 PV 系统有巨大的帮助，因为大多数元器件是非线性的，并且要求解电流和电压值的节点电路方程，通常没有解析解。此外，太阳电池和 PV 发电机的特性强烈依赖于太阳辐射强度和环境温度。因为这些都是随时间变化的变量，如果采用了长期的有辐射和温度的时间序列的系统性能估算值，则在系统设计阶段将会更加准确。本书的主要目标是帮助理解 PV 系统的运行的相关概念，设计标准和结论，这些同时也使用计算机软件，即 PSpice 进行定义或说明。书中所述内容已经作为本科课程在西班牙巴塞罗那的 UPC（卡特卢那理工大学)教学内容 10 多年，在与学生的大量互动中，内容逐步准确。1992 年，PSpice作为一个工具被引入教学过程，来模拟一个基本的太阳电池，之后，硕士和博士生不仅为光伏电池也为 PV 发电机、蓄电池、转换器、逆变器开发出了更详细的模型。在我们教师的印象中，学生迅速掌握了工具，并主动准备使用和应用书中的程序和模型。PSpice 通用版本或更先进的版本十分有助于与学生互动，互动中使课程的发展能够因材施教，同时学生可以把发现的困难反馈给老师。我们认为，教学经验的一个关键特征是，定量的结果都是已有的，从网页得到的 PV 组件和蓄电池的数据值可以使用在问题和练习中，使转换结果接近真实值。PSpice 是进行模拟信号和混合信号仿真的最流行的权威软件。工程师们依靠PSpice 进行设计的准确性和鲁棒性分析。大学和半导体制造商使用 PSpice 并提供新器件的 PSpice 模型。PSpice 是一个强大的仿真工具，与 Orcad Capture，HDL 语言，或 PSpice 原理图构成完整运行环境，可以让工程师创建设计、建立和运行模拟，并分析仿真结果。更多 PSpice 的细节和信息可以在 http： 找到。同样在这个网站有免费的 PSpice 程序，PSpice 9.1 学生版可以下载。也可以在http： download default.asp 申请免费的 Orcad Lite 版 CD 来得到PSpice 仿真软件。PSpice 手册和其他技术文件也可以在上述网站获取 PDF 格式文档。虽然在本书的第 1 章进行了 PSpice 软件的简单使用介绍，我们强烈建议读者去查阅这些手册以获得更详细的信息。用户还可以在 http： publicationsbooks.asp 找到一个专用于 PSpice 的优秀书籍列表。本书中出现的为光伏电池和 PV 系统的性能仿真开发的所有模型，都适用于在PSpice 9 版本下运行。PSpice 提供了一个很好的图表环境，Orcad Capture 提供了可以进行 PSpice 仿真的电路设计界面，尽管如此，本书中所有的 PSpice 模型仍采用可以用作输入文件的文本文件。我们认为，这种选择提供了一个更全面的模型，有助于理解这些模型是如何实现的，并允许快速改写这些模型以适应不同 PV 系统体系结构或根据不同的设计环境改写模型。第二个选择文本文件的原因是，它们很容易被移植到其他现有的 PSpice 版本中。这里描述光伏电池和 PV 系统的其他组件所有的模型，都可以在 www.esf.upc.esesf 查找到，在那里用户可以下载本书中所有实例的仿真文件和结果。复现本书部分仿真必要的一组激励、库文件等的相应文档，也可以在上述网站下载。访问本网站需要的用户名为 esf，密码为 esf。原 书 序原 书 前 言随着光伏（PV)系统组件性能提高和由大规模工业生产引起的生产成本降低，PV 发电迅速成为一个成熟的行业。政府和其他的一些机构采取资助安装费用的措施以及部分国家出台一些关于购买并网发电系统的规定及公众环保意识的提高，使得太阳能发电得到广泛应用。在过去的几年中，PV 发电行业的快速发展引起了全世界对 PV 发电教育培训的兴趣，特别是在系统级上的培训，越来越多的人参与其中。在现有的书本中，PV 系统工程和系统设计通常被认为只是肤浅地介绍了关于 PV 的知识。因此，本书成为了第一本包含计算机建模并进行详细定量分析讲述 PV 系统的书籍。PSpice软件是一个很好的仿真软件，已被全世界广泛应用于电子电路仿真。因此，可以用它学习 PV 系统或协同解决其设计、尺寸或分析等技术问题。在大学和专业技术学校中，学生们精通计算机知识，应用计算机辅助学习越来越熟练。通过利用实用友好的计算机软件，使得学生们学习光伏的兴趣被进一步提高，这些软件可以用来求解复杂和非线性方程。由于教学关注概念、标准及结果，因此从事电气工程或电力电子的教育工作者也可以使用这本书中的 PV 案例作为教学参考。这本书也将有助于协助专业工程师获得 PV 发电专业知识，并允许他们使用书中的这些技术和行为模型。这本书涵盖了 PV 系统工程知识，第 1 章主要介绍太阳辐射及标准光谱的一些基本知识和通用计算机仿真软件（PSpice)的基础知识。第 2 章介绍 PV 电池短路电流的 PSpice 简化模型和光电转化效率以及频谱响应等基本概念。第 3 章介绍 PV电池的伏安特性，并考虑串并联电阻、光照度、温度和空间辐射对太阳电池特性的影响，还对其 PSpice 模型进行了一些修正。这样，就建立了一个可以对任意时刻的光照强度和环境温度等参数进行模拟的太阳电池的行为模型。第 4 章主要介绍太阳电池阵列、地面 PV 模块以及 PV 发电组件建模方法。针对具体问题进行建模和说明，如旁路二极管的使用，太阳电池阵列的部分阴影及安全运行区域介绍。从而将太阳电池行为模型扩展应用到任意大小的发电设备中。第 5 章描述抽水系统和蓄电池的 PSpice 模型，这样模拟出 PV 电池阵列的性能与抽水系统的瞬态响应。第 6章描述充电调节器、最大功率点跟踪器和逆变器的模型。得到的多天 PV 测量数据被用来与仿真波形进行比较，从而建立逆变器模型，为标准的逆变电路、行为模型及长时间仿真做准备。第 7 章致力于独立 PV 系统，详细地介绍简化计算过程，用每小时辐射时间序列来仿真太阳光辐射一年能量平衡详细情况与系统的长时间响应过程。随后介绍负载缺电概率，并给出实际的例子。最后，通过提炼得出简化计算方法。第 8 章作为一个新的问题讲述利用第 6 章逆变器模型搭建的并网发电系统，并介绍交流 PV 发电模块和使用这些系统的具体情况。最后，第 9 章讲述多种情况下的“小型 PV 产业”，比如一个袖珍计算器在人造光随机有效照射下的工作情况。基于蒙特卡罗方法生成的随机数，生成了随机时间序列的 PSpice 仿真辐照度，来模拟 PV 最糟糕一个月的性能。另外，我们欢迎其他光伏文献的出版发行，相信很多人都会从 PV 发电文献提出的实用方法中受益。Martin A.GreenScientia 教授PV 工程中心新南威尔士州，悉尼大学2002 年 4 月原 书 前 言致谢在西班牙 UPC（卡特卢那理工大学)，我们 GDS 研究组的多个人都为建立 PVPSpice 软件模型做出了贡献，这里作者要特别感谢丹尼尔卡尔斯指导的罗蒙德阿洛伊修斯。他们在电池建模上的工作是完美的、系统的和综合性的。安德烈莫雷诺和哈维尔朱丽叶继续这项工作，开发了修订模型，以及特征宏模型，并能够比较长期仿真与大学中 PV 装置的监测实验结果。这些工作增强了对所创模型有效性，仿真环境的实用性的信心，激励了作者写作本书。我们还要感谢那些自 1992年以来一直有兴趣在 UPC 选修 PV 发电的学生。他们的批评、评论和热情有助我们取得成果。作者还在 PV 系统建模领域研究合同 TIC97-0949 下得到科学技术部际委员会的支持，促进作者收集所有的材料，增加更多的基本原理和基本内容，形成一本具有可读性的书。Luis Castaer 和 Santiago Silvestre目录译者序原书序原书前言致谢第 1 章 PV 系统与 PSpice 的简介1 1.1 PV 系统1 1.2 重要的定义：辐射度和太阳辐射通量1 1.3 PSpice 基础知识3 1.4 用子电路程序简化可移植性5 1.5 PSpice 分段线性源和受控电压源7 1.6 AM1.5G 标准太阳光谱密度7 1.7 AM0 标准太阳光谱密度和黑体辐射对照9 1.8 PV 系统能量的输入：可用的太阳辐射通量12 1.9 习题15 参考文献15第 2 章 光谱响应与短路电流16 2.1 介绍16 2.1.1 吸收系数(）16 2.1.2 反射系数 R(）17 2.2 太阳电池的解析模型18 2.2.1 短路光谱电流密度18 2.2.2 光谱光子通量20 2.2.3 总短路光谱电流密度及其单位20 2.3 短路光谱电流密度的 PSpice 模型21 2.3.1 吸收系数的子电路21 2.3.2 短路电流子电路模型21 2.4 短路电流24 2.5 量化效率25 2.6 光谱响应26 2.7 暗电流密度27 2.8 太阳电池的材料28 2.9 电流密度的叠加29 2.10 DC 扫描图和太阳电池的伏安特性30 2.11 非理想电路模型：串并和分流电阻及其组合项32 2.12 习题32 参考文献33第 3 章