光伏电池模拟器的制作方法

本实用新型涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其涉及一种光伏电池模拟器。

背景技术：

在光伏发电技术领域中，太阳能光伏电池受外界的环境因素影响非常大，光照条件和环境温度都会对其造成影响，且不受控制，难以控制其工作条件，因此，在测试或者研发实验中技术人员通常会采用光伏电池模拟器模拟太阳能光伏电池，通过控制光伏模拟器或外围电路来调整工作点模拟太阳能光伏电池的特性。

现有技术中，光伏电池模拟器主要有模拟式与数字式两种，模拟式的光伏电池模拟器就是建立一个模拟太阳光光照的设备和环境，可以通过控制光源来调整工作点，然而，模拟式光伏电池模拟器受模拟光源和温度的影响较大，进而无法准确的控制光伏电池的输出功率，较大的误差会导致光伏电池的开路电压和最大功率点都发生严重的偏移。

数字式的光伏电池模拟器是将电力电子技术和数字信号dsp或单片机技术相结合，以电力电子各种拓扑结构为基础，根据系统自身设计参数的要求经过多级能量转换模拟太阳能光伏电池的特性，然而，数字式光伏电池模拟器受到控制电路拓扑频率的限制，采样、运算和反馈控制电路，需要一定的控制时间，其动态响应能力较弱，无法满足高速的应用电路或优化器的要求。

技术实现要素：

本实用新型提供一种光伏电池模拟器，以解决现有技术中模拟光源和环境温度不可控导致误差大以及限于控制电路拓扑频率导致动态响应能力弱的问题。

根据本实用新型提供的一种光伏电池模拟器，包括光生电流模拟模块与开路电压模拟模块，所述光生电流模拟模块的输出端连接外部负载与所述开路电压模拟模块；

所述光生电流模拟模块用于产生能够模拟出目标光照条件下目标光伏电池光生电流的目标电流，并将所述目标电流输出至所述开路电压模拟模块与所述外部负载；所述目标电流是可调的；

所述开路电压模拟模块用于在所述光生电流模拟模块的输出端与地之间形成能够模拟出所述目标光照条件下所述目标光伏电池的开路电压的目标电压；并且，所述开路电压模拟模块的电路被配置为：所述目标电压的最大值能够模拟出所述目标光照条件下所述目标光伏电池的开路电压；

其中，所述目标光照条件与所述目标光伏电池为当前所需模拟的光照条件与光伏电池。

可选的，所述光生电流模拟模块包括直流电压源与可变电阻单元；

所述直流电压源的正极连接所述可变电阻单元的第一端，所述直流电压源的负极直接或间接接地；所述可变电阻单元的第二端连接所述外部负载与所述开路电压模拟模块。

可选的，所述可变电阻单元包括电子负载。

可选的，所述开路电压模拟模块包括二极管阵列；所述二极管阵列的正极连接所述光生电流模拟模块的输出端。

可选的，所述二极管阵列包括至少一个二极管串联组，所述二极管串联组包括至少一个二极管。

可选的，所述光伏电池模拟器还包括用于控制所述二极管阵列中一个或多个二极管是否被短路的二极管阵列控制组件；所述二极管阵列控制组件电连接所述二极管阵列。

可选的，所述二极管阵列为肖特基二极管阵列。

可选的，所述开路电压模拟模块还包括温度环境装置，所述温度环境装置用于产生目标环境，所述二极管阵列设于所述目标环境中，所述目标环境的温度为关联于目标光照条件的目标温度。

可选的，所述开路电压模拟模块还包括光伏面板；

所述光伏面板的输入端连接所述光生电流模拟模块的输出端。

本实用新型提供的光伏电池模拟器，能够通过改变目标电流以及改变目标电压，模拟不同的光照条件，因此，避免了现有技术中因模拟光源不可控导致的误差，以及受控制电路拓扑频率限制导致动态响应能力弱的问题，有效提升了模拟的准确性，进而能够充分满足光伏模拟器的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是光伏电池的等效电路图；

图2是光伏电池的工作输出特性曲线图；

图3是典型的二极管特性曲线图；

图4是本实用新型一实施例中光伏电池模拟器的电路示意图一；

图5是本实用新型一实施例中光伏电池模拟器的电路示意图二；

图6是本实用新型一实施例中光伏电池模拟器的电路示意图三；

图7是本实用新型一实施例中二极管阵列的电路示意图一；

图8是本实用新型一实施例中光伏电池模拟器的电路示意图四。

附图标记说明

1-光生电流模拟模块；

11-直流电压源；

12-可变电阻单元；

2-开路电压模拟模块；

21-二极管阵列控制装置；

3-外部负载；

load-电子负载；

d-二极管阵列；

d1-二极管；

dn-二极管；

k1-二极管开关；

k2-二极管串联组开关；

iph-目标电流。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

此外，本实用新型的说明书和权利要求书的术语“连接”指的是电性连接，可包括直接连接或间接连接。

下面结合背景技术对本实用新型的设计基本原理进行阐述：

如图1所示的光伏电池等效电路可知，忽略电阻rs及电阻rsh的影响，可知其核心元件即为恒流源和二极管，几个重要参数包括：光伏电池光生电流iph(等效于短路电流isc)、暗电流id、开路电压uoc。其工作输出特性曲线如图2所示。

如图1所示的光伏电池等效电路中，在不考虑电阻rs的影响情况下，开路电压uoc等于二极管对应暗电流id下的正向导通压降，光伏电池光生电流iph可用恒流源替代，在本实用新型中，将直接使用直流电源和电子负载来实现恒流源功能。其优点是，可以直接通过电子负载来控制电流大小，来调节光伏电池光生电流iph的大小。

图3为典型的二极管特性曲线，其电流if与电压vf的关系，跟光伏电池的暗电流id和开路电压uoc是对应的。因此，可以通过调整通过二极管的电流if大小来模拟暗电流id，通过串联和并联二极管来模拟开路电压uoc。

基于以上设计基本原理，本实用新型提供了一种光伏电池模拟器，请参考图4，包括光生电流模拟模块1与开路电压模拟模块2，所述光生电流模拟模块1的输出端连接外部负载3与所述开路电压模拟模块2；

所述光生电流模拟模块1用于产生能够模拟出对应的目标光照条件下目标光伏电池的光生电流的目标电流iph；所述目标电流iph是可调的；

所述开路电压模拟模块2用于在所述光生电流模拟模块1的输出端与地之间形成能够模拟出所述目标光照条件下所述目标光伏电池的开路电压的目标电压；并且，所述开路电压模拟模块的电路被配置为：所述目标电压的最大值能够模拟出所述目标光照条件下所述目标光伏电池的开路电压；所述目标电压是可调的；

其中，所述目标光照条件与所述目标光伏电池为当前所需模拟的光照条件与光伏电池。

一种举例的工作过程中，当流过外部负载3的电流为零时，开路电压模拟模块2在光生电流模拟模块1的输出端与地之间形成的电压达到最大值，此时的电压即目标电压，不同的目标电压表征了不同的光照条件。

随着流过外部负载3的电流的增大，开路电压模拟模块2两端的电压会下降，当开路电压模拟模块2两端的电压接近于零时，流过光生电流模拟模块1以及外部负载3的电流即目标电流iph，也就是目标光照条件下目标光伏电池的光生电流，在其他参数不变时，不同的目标电流iph表征了不同的光照条件。

本实用新型提供的光伏电池模拟器，能够通过改变光生电流模拟模块1的目标电流iph以及改变开路电压模拟模块2的目标电压，模拟不同的光照条件，因此，避免了现有技术中因模拟光源不可控导致的误差，以及受控制电路拓扑频率限制导致动态响应能力弱的问题，有效提升了模拟的准确性，进而能够充分满足光伏模拟器的使用需求。

一种实施方式中，请参考图5，所述光生电流模拟模块1包括直流电压源11与可变电阻单元12；

所述直流电压源11的正极连接所述可变电阻单元12的第一端，所述直流电压源11的负极直接或间接接地；所述可变电阻单元12的第二端连接所述外部负载3与所述开路电压模拟模块2。

一种举例中，所述可变电阻单元12包括多个串联和/或并联的电阻，通过改变导通串联和/或导通并联的电阻的数量，可改变可变电阻单元12的阻值。例如，一个或多个电阻可并联有电阻开关，通过控制电阻开关的通断，改变导通串联和/或导通并联的电阻的数量，进而改变可变电阻单元12的阻值。

进一步举例中，电阻开关可连接于电阻开关控制装置，电阻开关控制装置连接电流检测部件，电流检测部件串联连接于光生电流模拟模块1。其中，电流检测部件用于检测光生电流模拟模块1的目标电流iph并将检测结果反馈至电阻开关控制组件，电阻开关控制组件用于根据目标电流iph与检测结果，控制电阻开关的通断。

其他举例中，只要是通过改变电阻的阻值，进而改变光生电流模拟模块1的目标电流iph，均不脱离本实用新型的实施例的范围。

一种实施方式中，所述可变电阻单元12包括电子负载load，可通过键入、旋钮输入或信号输入等方式输入一个电流值改变光生电流模拟模块1的目标电流iph。

一种实施方式中，请参考图6，所述开路电压模拟模块2包括二极管阵列d；所述二极管阵列的正极d连接于所述光生电流模拟模块1的输出端。

一种实施方式中，以图7为例，所述二极管阵列d包括至少一个二极管串联组(例如二极管d1串联而形成的一个二极管串联组，以及二极管dn串联而形成的一个二极管串联组)，所述二极管串联组包括至少一个二极管。

所述目标电压是可调的，改变目标电压可以通过改变二极管串联组中导通的二极管的数量的方式实现，不同的目标电压对应于不同的导通串联的二极管的数量。

此外，通过并联多个二极管串联组，能够防止二极管过热发生特性的改变，同时，二极管串联组的并联还可以提高目标光伏电池在目标光照条件下的输出功率。

一种实施方式中，请参考图7，所述开路电压模拟模块2还包括用于控制所述二极管阵列d中一个或多个二极管是否被短路的的二极管阵列控制组件；所述二极管阵列控制组件电连接所述二极管阵列d。

一种举例中，请参考图7，所述二极管阵列控制组件可以包括二极管阵列控制装置21、二极管开关k1与二极管串联组开关k2，其中，可以是每个二极管并联有一个二极管开关k1，也可以是多个二极管并联有一个二极管开关k1；可以是每个二极管串联组串联一个二极管串联组开关k2，也可以是多个二极管串联组串联一个二极管串联组开关k2。

二极管阵列控制装置21通过控制二极管开关k1与二极管串联组开关k2的通断控制二极管阵列d中一个或多个二极管是否被短路(即控制二极管阵列d中导通串联的二极管的数量以及导通并联的二极管串联组的数量)，进而控制开路电压模块2两端的电压达到最大时处于目标电压。

其他举例中，二极管阵列d也可以被整体替换，不同的二极管阵列d对应于不同的目标电压。

一种实施方式中，所述二极管阵列d为肖特基二极管阵列。

一种实施方式中，所述开路电压模拟模块2还包括温度环境装置，所述温度环境装置用于产生具有目标温度的目标环境，所述二极管阵列d设于所述目标环境中，所述目标环境的温度为关联于目标光照条件的目标温度。

所述目标环境的温度为关联于目标光照条件的目标温度可以理解为：在所述二极管串联组中导通的二极管数量不变时，不同目标温度对应于不同目标电压，即不同的目标温度表征了不同的光照条件。

一种举例中，所述温度控制装置用于控制二极管阵列d处于某一目标温度，以使二极管阵列d的特性不受环境温度的影响，保证当前光伏电池的开路电压仅关联于二极管阵列d中导通串联的二极管的数量与光生电流模拟模块1的目标电流iph，从而保证误差的最小化；其他举例中，所述温度控制装置还可以在其他参数不变的条件下，控制目标环境改变目标温度，进而改变光伏电池的开路电压以模拟光照条件的改变。

此外，其中的温度控制装置、二极管阵列控制装置等用于控制的装置也可集成为同一控制装置，在模拟过程中，该控制装置除了对模拟器中的硬件进行控制外，还可获取模拟过程中检测到的各种信号(例如模拟器本身的相关电信号，或者外部负载的相关电信号，再例如各种对环境、器件、装置等进行检测而得到的信号)

请参考图8，以下对该光伏电池模拟器的一种实施例的三种工作模式进行阐述：

开路模式：当外部负载3的电流il为零时，通过二极管阵列d的电流等于光生电流模拟模块1的目标电流iph，即id＝iph，此时二极管阵列d两端的电压(即光生电流模拟模块的输出端与地之间形成的电压)最大，此时该电压即能够模拟光伏电池的开路电压uoc，通过二极管阵列的电流id模拟光伏电池的暗电流。

带载模式：当外部负载3的电流为il，通过二极管阵列的电流id＝iph-il，此时二极管阵列两端的电压会下降。随着外部负载电流il的慢慢增加，通过二极管阵列d的电流也会逐渐减小，此时二极管阵列d两端的压降随着外部负载的增大慢慢减小，此时工作在带载模式；

短路电流模式：随着外部负载3的电流il的增大，通过二极管阵列的电流很小时，此时随着外部负载电流il的继续增大，二极管两端的电压会急剧下降，即进入短路电流模式，此时光生电流模拟模块1的目标电流iph即能够模拟光伏电池的光生电流。

其中，该电路中的直流电压源11的最大工作电压必须大于满足模拟需要的目标电压的最大值，且需要更高，直流电压源11的电流能力必须大于满足模拟需要的目标电流iph的最大值。

一种实施方式中，所述开路电压模拟模块2还包括光伏面板；所述光伏面板的输入端连接于所述光生电流模拟模块1的输出端。

一种举例中，所述光伏面板可包括一个光伏面板单元，其他举例中，光伏面板可包括多个光伏面板单元。

若光伏面板中包括多个光伏面板单元，改变目标电压可以通过改变光伏面板中导通的光伏面板单元的数量实现，不同的目标电压对应于不同的光伏面板单元导通的数量。

一种举例中，光伏面板中光伏面板单元的导通数量可以通过光伏面板控制组件控制，其他举例中，也可以人工干预进行手动控制，例如手动导通或者断开光伏面板单元进而改变光伏面板中光伏面板单元的导通数量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。