不同光照条件对光伏组件及其构建的光伏发电系统的影响研究

摘

要：为保证各个模组的稳定输出与光伏组件接入的配电网运行的安全可靠性，有必要研究不同光照条件对光伏组件的影响，以及对其构建的光伏发电系统的影响，为光伏发电技术的进一步发展提供技术支持。现建立了光伏电池单体的仿真模型，并以此为基础，建立两块和三块组件串联的模型，最后建立了2×2的光伏阵列仿真模型。利用Matlab/Simulink软件，仿真后得到了仿真模型在多种复杂光照下的U-P和U-I特性输出曲线，并根据仿真结果总结了该情况下U-P和U-I输出特性的规律。关键词：光伏阵列；Matlab/Simulink；仿真建模；输出特性1单个光伏组件的模型设计光伏电池是光伏组件中重要的一种，也是光伏系统的基础。光伏电池是一种元器件，利用光伏效应实现光电能的转化。光伏电池通常由硅半导体材料构成，当半导体PN结被光照时，会形成新的空穴电子对。在半导体硅内部电场的作用下，N型区的空穴流向P型区，P型区的电子流向N型区，进而在电池的两端产生电压。首先进行光伏电池数学模型的建立和Simulink仿真建模。光伏电池单体等效电路模型如图1所示。根据光伏电池单体等效电路模型，可由基尔霍夫定律列出KCL、KVL方程，进而得出光伏电池的输出电流公式：式中：Iph为光子激发的电流（A）；I0为无光照时二极管的反向饱和电流（A）；q为电子的电荷量（C）；k为玻耳兹曼常数（J/K）；A为二极管特性因子；T为环境温度（K）；Rs为光伏电池的等效内部电阻（Ω）；Rsh为光伏电池的等效旁路电阻（Ω）。在分析其特性时，还用到了光伏电池饱和电流、反向饱和电流、等效电阻分流电流、光生电流等参数，计算方式如下：式中：Irs为反向饱和电流（A）；Isc为短路电流（A）；Ish为等效电阻分流电流（A）；T为外界温度（K）；Tn为标称温度（K）；Eg0为半导体带隙能量（eV）；n为二极管理想因子；Voc为开路电压（V）；Ns为串联单元数；Rs为串联电阻（Ω）；Rsh为并联电阻（Ω）；ki为25℃、1000W/m2下电池短路电流（A）；G为太阳辐照度（W/m2）。根据上述数据可进行仿真建模，建立如图2所示单个光伏组件仿真模型。2多个光伏组件串并联的模型设计为更加贴合实际，体现多峰，建立多个光伏组件串并联的Matlab/Simulink仿真模型。首先建立两块光伏组件串联的仿真模型。对两块组件进行不同的辐照度输入，其中输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为500W/m2得出曲线1；输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为600W/m2得出曲线2；输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为400W/m2得出曲线3。仿真后得到的U-P结果如图3所示，U-I结果如图4所示。由输出特性曲线可看出，两块光伏组件串联的光伏阵列U-P特性输出曲线为多峰值状，且存在多个最大功率点（曲线2）；U-I特性输出曲线为阶梯状（曲线2、曲线3）。在两块光伏组件串联的基础上，再串联上一块光伏组件，建立三块光伏组件串联的仿真模型。对三块组件进行不同的辐照度输入，其中输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为500W/m2、组件三辐照度为500W/m2得出曲线1；输入组件一辐照度为200W/m2、组件二辐照度为700W/m2、组件三辐照度为1000W/m2得出曲线2；输入组件一辐照度为100W/m2、组件二辐照度为300W/m2、组件三辐照度为500W/m2得出曲线3。仿真后得到的U-P结果如图5所示，U-I结果如图6所示。由输出特性曲线可看出，三块光伏组件串联的光伏阵列U-P特性输出曲线为多峰值状，且存在多个最大功率点（曲线2、曲线3）；U-I特性输出曲线为阶梯状（曲线2、曲线3）。针对24V离网发电系统，在光伏组件串联模型的基础上，进行了光伏组件串并联的仿真模型，即2×2光伏阵列的仿真模型。该仿真模型先进行两次两块光伏组件的串联，再将两次串联得到的部分进行并联，得到2×2光伏阵列的仿真模型。对四块组件进行不同的辐照度输入，其中输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为500W/m2、组件三辐照度为500W/m2、组件四辐照度为500W/m2得出曲线1；输入组件一辐照度为800W/m2、组件二辐照度为600W/m2、组件三辐照度为900W/m2、组件四辐照度为500W/m2得出曲线2；输入组件一辐照度为500W/m2、组件二辐照度为1100W/m2、组件三辐照度为500W/m2、组件四辐照度为1100W/m2得出曲线3。仿真后得到的U-P结果如图7所示，U-I结果如图8所示。由输出特性曲线可看出，2×2光伏阵列的U-P特性输出曲线为多峰值状，且存在多个最大功率点（曲线2、曲线3）；U-I特性输出曲线为阶梯状（曲线2、曲线3）。3结论通过仿真得出以下结论：（1）在复杂的光照条件下，以上光伏阵列的U-P特性输出曲线均呈多峰值状，U-I特性输出曲线均呈阶梯状，且两块光伏组件串联的光伏阵列和三块光伏组件串联的光伏阵列U-P特性输出曲线均会存在多个最大功率点，但最大功率点的位置却不确定，需要进行更进一步的实验。（2）上述对两块光伏组件串联、三块光伏组件串联和2×2光伏