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

王艺蓉 田 笑 刘 骁

（南京工程学院电力工程学院，江苏南京 210000）

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[1]。

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。

图1 光伏电池单体等效电路模型

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[2]，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 ℃、1 000 W/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。

图2 单个光伏组件仿真模型

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500 W/m2、组件二辐照度为500 W/m2得出曲线1；
输入组件一辐照度为500 W/m2、组件二辐照度为600 W/m2得出曲线2；
输入组件一辐照度为500 W/m2、组件二辐照度为400 W/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。

图3 两块光伏组件串联时U-P输出特性曲线

图4 两块光伏组件串联时U-I输出特性曲线

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500 W/m2、组件二辐照度为500 W/m2、组件三辐照度为500 W/m2得出曲线1；
输入组件一辐照度为200 W/m2、组件二辐照度为700 W/m2、组件三辐照度为1 000 W/m2得出曲线2；
输入组件一辐照度为100 W/m2、组件二辐照度为300 W/m2、组件三辐照度为500 W/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。

图5 三块光伏组件串联时U-P输出特性曲线

图6 三块光伏组件串联时U-I输出特性曲线

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24 V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500 W/m2、组件二辐照度为500 W/m2、组件三辐照度为500 W/m2、组件四辐照度为500 W/m2得出曲线1；
输入组件一辐照度为800 W/m2、组件二辐照度为600 W/m2、组件三辐照度为900 W/m2、组件四辐照度为500 W/m2得出曲线2；
输入组件一辐照度为500 W/m2、组件二辐照度为1 100 W/m2、组件三辐照度为500 W/m2、组件四辐照度为1 100 W/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。

图7 2×2光伏阵列的U-P输出特性曲线

图8 2×2光伏阵列的U-I输出特性曲线

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）。

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光伏阵列的性能考察结果表明，多辐射强度会导致功率多峰值的出现，尤其是在复杂光照条件下，常规的最大功率点跟踪算法，如扰动干扰法和电导增量法，可能会因为只能检测到最大功率点为极大值点而失效。因此，后续需要就改进跟踪算法进行最大功率研究。