光伏系统的PSpice建模.pdf

1、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

2、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。

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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 太阳电池的电气特性34 3.1 理想等效电路34 3.2 理想太阳电池的 PSpice 模型35 3.3 开路电压37 3.4 最大功率点38 3.5 填充因子和能量转换效率40 3.6 太阳电池的

18、广义模型42 3.7 太阳电池的广义 PSpice 模型43 3.8 串联电阻对短路电流和开路电压的影响44 3.9 串联电阻对填充因子的影响45 3.10 并联电阻的影响47 3.11 复合二极管的影响48 3.12 温度影响48 3.13 空间辐射的影响52 3.14 太阳电池的行为模型56 3.15 用太阳电池行为模型和 PWL 电源来模拟太阳电池对温度和光照强度时间序列的响应59 3.15.1 时间单位59 3.15.2 变量单位59 3.16 习题61 参考文献62第 4 章 太阳电池阵列、PV 模块和 PV 发电组件63 4.1 介绍63 4.2 太阳电池串联63 4.2.1 相同

19、的太阳电池组合64 4.2.2 相同的太阳电池在不同光照条件下的组合：热斑问题64 4.2.3 串联太阳电池中的旁路二极管65光伏系统的 PSpice 建模 4.3 太阳电池的并联67 4.4 地面 PV 模块69 4.5 PV 模块的标准特性与任意光照和温度条件下特性的转化73 4.6 单个 PV 模块的 PSpice 行为模型74 4.7 PV 模块中的热斑问题和安全操作区域77 4.8 PV 阵列78 4.9 PV 发电组和 PV 发电站的扩展81 4.10 习题82 参考文献83第 5 章 PV 模块与负载和蓄电池连接的建模84 5.1 直流负载直接连接到 PV 模块84 5.2 PV

20、 水泵系统85 5.2.1 直流串励电动机 PSpice 电路85 5.2.2 离心泵 PSpice 模型86 5.2.3 参数提取87 5.2.4 一个 PV 阵列直流串励电动机离心泵系统的 PSpice 仿真90 5.3 PV 模块连接到一个电池和负载92 5.3.1 铅酸蓄电池特性92 5.3.2 铅酸蓄电池 PSpice 模型95 5.3.3 根据厂家参数调整的 PSpice 模型100 5.3.4 在现实的 PV 系统条件下的电池模型101 5.3.5 简化后的 PSpice 电池模型107 5.4 习题108 参考文献109第 6 章 功率调节器和逆变器的建模110 6.1 介绍1

21、10 6.2 阻流二极管110 6.3 充电调节111 6.3.1 并联调节器111 6.3.2 串联调节器115 6.4 最大功率点跟踪119 6.4.1 基于 DC-DC 降压变换器的 MPPT120 6.4.2 基于 DC-DC 升压变换器的 MPPT121 6.4.3 MPPT PSpice 行为模型122目 录 6.5 逆变器128 6.5.1 逆变器拓扑的 PSpice 模型130 6.5.2 与 PV 发电装置直接连接的逆变器的 PSpice 行为模型136 6.5.3 和电池相连的逆变器的 PSpice 行为模型141 6.6 习题145 参考文献146第 7 章 独立 PV

22、系统148 7.1 独立 PV 系统148 7.2 等效峰值日照时数的概念149 7.3PV 系统中的能量平衡：简化估算 PV 阵列容量的过程152 7.4PV 系统中的日常能量平衡155 7.4.1 瞬时功率失调155 7.4.2 夜间负载157 7.4.3 日间负载157 7.5PV 系统的季节性能量平衡159 7.6 独立 PV 系统中的电池容量简化计算方法160 7.7 随机辐射时间序列162 7.8 负载不足概率164 7.9 PSpice 仿真结果与监测结果对比170 7.10 独立 PV 系统的长期 PSpice 仿真：一个案例研究173 7.11 水泵 PV 系统的长期 PSp

23、ice 仿真176 7.12 习题178 参考文献179第 8 章 并网 PV 系统180 8.1 介绍180 8.2 通用系统181 8.3 相关技术问题182 8.3.1 孤岛保护182 8.3.2 电压扰动182 8.3.3 频率扰动183 8.3.4 断路183 8.3.5 并网失败后的重连183 8.3.6 注入电网的直流分量183 8.3.7 接地183光伏系统的 PSpice 建模 8.3.8 EMI183 8.3.9 功率因数183 8.4 并网 PV 系统逆变器的 PSpice 模型184 8.5 交流模块 PSpice 模型189 8.6 并网 PV 系统的估算和能量平衡1

24、92 8.7 习题203 参考文献203第 9 章 小型 PV 系统204 9.1 介绍204 9.2 小型 PV 系统的特殊要求204 9.3 辐射度和光通量204 9.4 光通量和照度205 9.4.1 距离平方律206 9.4.2 光通量和照度之间的关系206 9.5 人造光源产生的 PV 电池短路电流密度206 9.5.1 照度的影响209 9.5.2 量子效率的影响209 9.6 在人造光源照射下 PV 电池的伏安特性曲线210 9.7 AM1.5G 光谱的照度等效211 9.8 随机蒙特卡罗分析212 9.9 典型应用研究：太阳能袖珍计算器215 9.10 LED 照明216 9.

25、11 典型应用研究：光信号报警218 9.11.1 PSpice 产生辐射的随机时间时序220 9.11.2 闪烁式照明系统的长时间仿真222 9.12 典型应用：路灯照明系统225 9.13 习题226 参考文献226附录227 附录 A 第 1 章用到的 PSpice 文件227 附录 B 第 2 章用到的 PSpice 文件236 附录 C 第 3 章用到的 PSpice 文件239 附录 D 第 4 章用到的 PSpice 文件244目 录 附录 E 第 5 章用到的 PSpice 文件253 附录 F 第 6 章用到的 PSpice 文件254 附录 G 第 7 章用到的 PSpic

26、e 文件258 附录 H 第 8 章用到的 PSpice 文件267 附录 I 第 9 章用到的 PSpice 文件269 附录 J 太阳电池基本理论摘要280 附录 K 任意取向表面辐射的估计284光伏系统的 PSpice 建模第 1 章PV 系统与 PSpice 的简介摘要：本章综述了太阳辐射的一些基本知识和通用计算机仿真软件(PSpice)的基础知识。通过定义光谱密度、辐射度和辐射通量简述光伏(Photovoltaic，PV)系统。简要介绍本书中最常用的 PSpice 命令和语句，并使用这些命令和语句将AM1.5G 和 AM0 太阳光谱写为 PSpice 文件。这个文件用来绘制光谱密度与

27、波长之间的关系曲线，并与黑体辐射比较。太阳辐射到地球表面是本章的另一个内容，本章还绘制出每月和每年在地球上倾斜面所接收的辐射量。本章最后介绍了一些用于系统设计的重要的、有用的规律。1.1 PV 系统PV 系统是一个能将太阳能转化为电能的装置。这一基本原则涉及复杂的技术，这些技术用来建立有效的装置，在 PV 系统中，PV 电池是关键部件。生产高效率、低成本的 PV 电池需要半导体处理技术。本书主要研究 PV 电池输出电气特性，而利用数学公式深入研究 PV 电池的相关内容已超出了本书的研究内容。PV 系统是一个由多个模块组成的模块化系统，既可以将这些模块放大构建一个大系统，又可以将其缩小变为一个小

28、系统。PV 系统的用途十分广泛，其输出功率的等级从 mW 到 MW，其用途从手表到通信卫星、地面太阳能电站以及并网系统。尽管如此，各种用途及功率等级的系统具有相同的工作原理，区别仅限于功率等级大小的特殊限制。组成 PV 系统的基本模块含有两大部分：其一是电池片 PV 模块以及以适当方式封装与连接的阵列；其二是连接 PV 模块到如下系统的电子装置：1）独立发电系统的储能装置；2）并网发电系统；3）通过合适 DC-DC 或 DC-AC 变换器连接的 DC 或 AC 负载。在设计和连接这些系统时一定要考虑各个系统的特殊约束条件，同时需要建立特殊模型对其电气特性进行仿真。1.2 重要的定义：辐射度和太

29、阳辐射通量波长在 300nm 4m 范围内的太阳光，在传输过程中部分被大气层反射，部分到达地球表面。所以位于太空(如卫星、飞船）的 PV 发电装置不同于地面上的装置。外太空的辐射量能量谱密度与满足普朗克法则(Plancks Law）的黑体的能量谱密度具有相同的形状。然而，由于大气层有选择地吸收了部分波长的能量，因此，地面上太阳能光谱密度不同于太空的光谱密度，用两种特殊的光谱密度区别两者是很有必要的。1）AM0外空间的太阳能光谱密度。2）AM1.5G在标准条件下位于海平面的太阳能光谱密度。下面定义一些术语：光谱密度、辐射度和辐射通量。1）光谱密度 I在 d 波长段内，单位面积内接收的功率，单位为

30、W m2m。2）辐射度在特定的波长区间，单位面积接收的功率，单位为W m2。3）辐射通量在特定的时间区间内，单位面积接收的能量，单位为J m2天。最常用的单位有kWh m2天，kWh m2月，kWh m2年，分别表示辐射度在不同的时间内单位面积接受的能量。图 1-1 给出了 3 个物理量之间的相互关系。图 1-1 光谱密度、辐射度和辐射通量三者之间的关系图 1-2 例 1.1 的光谱例1.1 试用面积为0.25m2的平面来接收光能。光谱密度简化为一个矩形，如图 1-2 所示。在波长0.60 0.65m 区间内，幅度为一个常数1000 W m2m；在其余波长区间，幅度等于零。计算辐射度和一天的辐

31、射通量。解：在 0.60 0.65m 波长区间对光谱进行积分，求得辐射度辐射度=0.650.601000d=0.05 1000W m2=50W m2辐射度是单位面积上接收的功率，与面积本身无关。当接收面积为 0.25m2时，每个昼夜接收的功率为辐射量辐射量=面积24h0辐射度 dt=0.2524h050W m2dt=0.25 24h 50W m2=300Wh 天从 1.1 的例子可以看出，当光谱辐射度不变时，辐射量的计算是非常简单的，因为它只涉及光谱辐射度对时间的积分，也就是说当光谱辐射度在一段时间内是常数时，辐射量的计算变为了光谱辐射度与时间的乘积。例 1.2 只是用来说明三个重要物理量之间

32、的关系，绝不代表太阳光的辐射2光伏系统的 PSpice 建模量，其原因是短波的辐射度大于长波的辐射度。当然，辐射度与时间、地点(地球表面经度与纬度）以及天气条件有关。如果计算置于外太空的接收装置的辐射度，则要考虑接收区域、受光面与太阳的倾角和几何、地理以及天文等因素的影响。很清楚，欲准确地求出辐射度和辐射通量需要更为深入的研究，然而现已有很多计算方法被公布。PV 工程师需要这些信息是为了计算出一个给定面积所能获得的可用太阳能。为了简化分析，提出了太空和地面两种标准太阳光谱密度，分别称为 AM0 和 AM1.5G。附录 A 给出了这两个标准光谱密度及其对应的波长范围。1.3 PSpice 基础知

33、识学习 PSpice 软件最好的方法是通过练习简单电路的 PSpice 仿真。我们选择含有单个电阻、电容和二极管的电路阐述如下内容：1）各种元件的描述；2）连接的描述；3）PSpice 的语句书写格式；4）仿真分析电路的性能。首先，在逻辑电路图中标注节点编号。我们试图通过下面序列脉冲信号 RC 电路说明仿真过程的几个主要步骤。步骤 1.节点编号根据图 1-3 所示电路编号。图 1-3 learning.cir 文件所用的电路节点(0）为接地点节点(1）为输入节点(2）为输出在 PSpice 程序的.cir 文件中，节点(0）总是表示为参考节点。步骤 2.描述电路元件的语句电阻语句rxx nod

34、ea nodeb value电容语句cxx nodea nodeb value根据图 1-3 所示电路中的编号，电阻和电容的描述语句如下：R11 2 1K；电阻 R1在节点(1）和节点(2）之间，阻值为 1kC12 0 1n；电容 C1在节点(2）和节点(0）之间，电容值为 1nF在 Pspice 程序中，注释语句既可以用“；”隔开，放置在电路描述语句的后面，也可以用“”作为一行的起始符号表示。3第 1 章 PV 系统与 PSpice 的简介电源的描述语句在一个电路中，电压源是必不可少的元件，下面给出脉冲电源的描述语句。脉冲电压源语句vxx node node-pulse(初值 幅度 延迟时间

35、 上升时间 下降时间 脉冲宽度周期）其中 node 和 node-是电源的极性，而其他参数不言则明。在图 1-3 所示电路中的电压源对应的语句为vin 1 0 pulse(0 5 0 1u 1u 10u 20u）其含义为序列脉冲电压源的正、负极分别与节点(1）和节点(0）相连，脉冲函数的初值为 0V，幅值为 5V，上升、下降时间均为 1s，脉冲的持续时间为10s，周期为 20s。步骤 3.电路分析PSpice 中提供了多种电路分析方法，分析语句称之为“点命令”，因为其必须以符号“.”开始。首先介绍瞬态分析。瞬态分析语句(点命令）.tran tstep tstop tstart tmax其中，第

36、一个字符必须为“.”；tstep 为打印步长；tstop 为终止时间；tstart 为起始时间(可选参数）；tmax 为最大时间间隔(可选的参数）。在图 1-3 所示电路中，对应的语句如下：.tran 0.1u 40u其含义为设定打印步长为 0.1s，终止时间为 40s。其余两个参数使用默认值。步骤 4.输出命令(更多的“点命令”）当书写完电路的描述语句后，紧接着的是“探针”(.Probe）命令，其功能可以命令计算机将仿真的数据进行绘图以及打印。探针命令的格式如下：.proble通常用户希望能够直观地观察仿真结果的波形及其参数。实现该功能的方法是，在“探针”命令之后，使用“绘图”(.plot）

37、命令：.plot tran vaiable1 vaiable2在图 1-3 所示电路中，我们关心的是输入和输出波形，使用下面的命令：.plot tran v(1）v(2）文件需要下面一个结束命令：.end图 1-4 给出了图 1-3 所示模拟电路输入和输出的波形，横坐标为时间。瞬态分析可以绘制出仿真图形。4光伏系统的 PSpice 建模图 1-4 图 1-3 所示模拟电路的输入与输出波形(PSpice 文件名为 learning.cir）下面直接使用之前介绍的规则和语句给出描述图 1-3 所示模拟电路的启动程序：1.4 用子电路程序简化可移植性上面的例子展示了使用指定节点方法编写电路分析程序的

38、重要性，用户在分析复杂电路时一定要注意，以免重复出现连接错误。对于结构复杂的电路，使用电路描述语句表征其拓扑结构是一件十分繁琐的工作。尤其如果电路存在着几个拓扑结构相同而节点不同的子电路，重复描述显得更加繁琐。因此，PSpice 程序提供了子电路定义和调用功能。当某一模块电路被定义为新的子电路后，用户便可以像调用其他元件一样对其进行使用。假设需要定义一个如图 1-3 所示 RC 的电路构成的子电路，以便用于复杂的电路，那么可以定义子电路的格式如下：5第 1 章 PV 系统与 PSpice 的简介子电路语句.subckt name externalnode1 externalnode2 para

39、ms：parameter1=value1parameter2=value2在子电路定义文件中，需要指定外节点数目以及内部元件值，但不包括分析语句(即无点命令）或电源，在后续的电路中将使用该子电路。由此可知，这类子电路文件实质是扩展了的库文件(.lib），随后介绍其使用方法。描述一个 RC 电路需要两个外节点以及两个参数。请注意文件中的电阻和电容参数值在后续使用这个子电路时是可以修改的。特别注意：子电路文件中禁止使用参考节点(0）。定义外节点连接如下：输入节点(11），输出节点(12），虚拟参考地节点(10）。子电路文件如下：到此为止，每当我们在负载电路中遇到 RC 电路，就可以调用上述子电路程

40、序。例如，图 1-5 中有两个不同参数的 RC 电路模块，在输入文件中使用两个语句调用子电路程序，其使用方法为首写字母为“x”加上子电路的名称。调用子电路程序语句xname node-1 node-2 node-i subcircuitname params：param1=value1图 1-5 两次使用 RC 子电路的电路图使用子电路语句描述图 1-5 所示电路中的两个 RC 电路模块如下：xrc1 2 1 0 rc params：r=1k c=1nxrc2 3 2 0 rc params：r=10k c=10n对照图 1-5 所示电路图，xrc1 和 xrc2 是两个子电路的名称，rc p

41、aram：后面给定了元件参数。子电路 xrc1 和 xrc2 分别对应的节点为2，1，0 以及3，2，0。为了配合调用子电路程序，必须使用另一个“点命令”，其格式如下：.include rc.lib6光伏系统的 PSpice 建模整个电路文件如下：1.5 PSpice 分段线性源和受控电压源在 PV 系统中，系统的输入量为太阳光辐射度和温度，这些参数不便于使用上述单一脉冲电源描述。然而，在 PSpice 中使用分段线性化(PWL）可以描述任意形状 PV 阵列的电气特性。PWL 电压源描述语句Vxx node node-pw1 time1 value1 time2 value2这种电源可以非常方

42、便地表征 PV 模块的电气特性，在下一节我们将通过一个实例说明。在 PSpice 仿真软件及其 PV 仿真系统中，电压控制的电压源，简称为 E-源(E-device）是一个应用十分广泛的器件，其语句的格式如下：E device 语句ename node node-controlnode controlnodegain其含义是 node 和 node-之间有一个受控电压源，控制端的正极连接 control node 、负极连接 control node-，增益为 gain。更为简化的表达式是将电压源的数值作为一个数学表达式，其语句的格式如下：Ename node node-value=数学表达式

43、1.6 节和 1.7 节将使用这个语句绘制太阳光谱密度图像。1.6 AM1.5G 标准太阳光谱密度在标准太阳光谱密度中，AM 的含义是大气层(Air Mass）。AM0 表示外层空间的太阳能光谱密度；AM1.5G 表示在标准条件下位于海平面的太阳能光谱密度。通常对于由下式给定的 x，定义出 AMx 太阳光谱密度：x=1cos z(1-1）7第 1 章 PV 系统与 PSpice 的简介式中，z是太阳的天顶角。当 z=0，x=1 时，意味着太阳位于观察者的头顶上方，记为 AM1。AM1 表示太阳位于观察地的正上方、天气晴朗无云，在海平面上接受到的太阳光谱密度。地面通常基于 x=1.5 定义太阳光

44、谱密度，对应天顶角为z=48.19。当接受到面倾斜为 37时，面对太阳所接受的光谱被命名为“全球-倾斜光谱”。参考文献 1.1 还给出了其他类型的太阳光谱密度的定义，有兴趣的读者可以参阅相关内容。如果编写一个含有 PWL 电压源的子电路程序，就可以将上述标准的太阳光谱密度转为 PSpice 的一个子电路。图 1-6 提供了 AM1.5G 标准太阳光谱密度的等效电路，对应的子电路文件在附录 A 中，下面列出其中的若干条语句：必须指出，在 PSpice 瞬态分析时，默认的时间轴变为以微米为单位的波长。图 1-6 AM1.5G 标准太阳光谱密度的等效电路为了绘制 AM1.5G 标准太阳光谱密度的图形

45、，编写下面的“.cir”文件：在这个文件中，“am15g.lib”子电路被调用来进行瞬态模拟，其时间轴为以微米单位的波长。AM1.5G 标准太阳光谱密度如图 1-7 所示，单位为 W m2m。8光伏系统的 PSpice 建模在本书中请注意 PSpice 仿真生成的图形中各坐标轴所代表的实际物理量及其单位。如图1-7 所示的光谱密度曲线，在 PSpice 瞬态分析中 y 轴默认的物理量为电压，单位为 V；x 轴默认的物理量为时间，单位为 s。而在图 1-7 中 y 轴对应的实际物理量为光谱密度，单位为 W m2m；x 轴对应的实际物理量为波长，单位为m。在图1-7 中，y 轴的1V 对应的实际物

46、理量为1W m2m；x 轴1s 对应的物理量为 1m 波长。在本书中，PSpice 显示图形中单位与实际物理量中单位的转化见表 1-1。图 1-7 PSpice 绘出的以 1kW m2为标准的归一化的 AM1.5G 标准太阳光谱密度注：x 轴是以 m 为单位的波长，y 轴是以 W m2m 为单位的光谱密度。表 1-1 PSpice 中变量的单位及其所代表的实际物理量PSpice 中的变量实际物理量横坐标 x 轴时间(s）波长(m）纵坐标 y 轴电压(V）光谱密度(W m2m）对于读者，在学习这本书的过程中，要处处注意显示出的曲线的轴包含的实际意义，以避免误解。1.7 AM0 标准太阳光谱密度和

47、黑体辐射对照参考文献 1.2 给出的外层空间的 AM0 标准太阳光谱密度的总辐射度为1353W m2。对应于标准的 PSpice 子电路与 am15.lib 子电路完全类似，并在附录 A中给出，同时绘制出如图 1-8 所示图像(文件“am0.lib”和“am0.cir”）。在距离一个天文单位(1AU=1.496 1011m）外大气层，每平方米所接受的总辐射度被定义为太阳能常数 S，它是对 AM0 光谱密度进行积分后得到的数据，其数值为 1353W m2。太阳辐射通量可以近似地表示为一个温度为 5900K 的“黑体”的辐射通量。9第 1 章 PV 系统与 PSpice 的简介图 1-8 PSpi

48、ce 绘出的 AM0 标准太阳光谱密度注：x 轴是以 m 为单位的波长，y 轴是以 W m2m 单位的光谱密度。普朗克法则给出了光谱密度函数 E，含义为单位面积、单位波长所获得的辐射功率，其定义式如下：E=2hC205(ehC0kT-1）(W m3）(1-2）式中，h 是普朗克常数(h=6.63 10-34Js），以及2hC20=3.74 10-16Wm2hC0k=0.0143mK(1-3）上式中两个数分别为第一、第二普朗克辐射常数。对所有波长的黑体单位面积的总辐射量由下式求取：0Ed=T4=5.66 10-8T4W m2()(1-4）式中，温度 T 是绝对温度 Ko。假设黑体具有各向同性辐射

49、特性，则在距太阳一个天文单位所接受到的光谱密度由下式确定：I=ES0Ed(1-5）式中，S 是太阳能常数。将式(1.2）代入上式，得I=8.925 10-125(e0.0143 T-1）T4(W m2m）(1-6）为了绘制给定温度条件下黑体的光谱密度，需要扩展上面各节所述的 PSpice子电路功能。事实上，需要绘制不同温度所对应的光谱密度并计算波长的具体数值。为此，附录 A 首先给出了计算波长的库文件“wavelength.lib”。这个库文件对应的子电路定义如下：.subckt wavelength 11 1001光伏系统的 PSpice 建模这个子电路有两个节点，节点(11）输出数值的物理

50、量为波长，单位 m；节点(10）为参考节点。其次，我们使用 PSpice 中的 E-device 模型实现式(1-6），其相应的程序如下：上面程序中使用了 1 10-6因子，将波长的单位由 m 转化为 m。当有了这些子电路文件后，我们就可以运行下面的 a blackbody.cir 文件：在上面的程序中，波长的单位是 m，温度的单位为 K。V(11）给出的数据为光谱密度。仍然可以用 PSpice 文件绘制其图像。图 1-9 给出了黑体、AM0 和AM1.5G 的光谱密度。图1-9 温度为5900K 黑体的光谱密度(中间）、与AM0(上面）和AM1.5G(下面）光谱密度的比较注：x 轴是以 m