基于光伏系統(tǒng)發(fā)電效率及升壓器仿真實(shí)驗(yàn)探究

牛 真，魏立明

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

目前，我國(guó)傳統(tǒng)能源消耗日益加劇，將新能源引入能源發(fā)電領(lǐng)域已成必然趨勢(shì)。太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源，具有絕對(duì)的安全性、相對(duì)的廣泛性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中居于領(lǐng)先的地位[1]。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展對(duì)緩解我國(guó)能源危機(jī)、減少環(huán)境污染、提高人們的生活水平具有非常重要的意義。本文以新能源發(fā)電仿真設(shè)備為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析和探究太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程及特點(diǎn)。

1 Boost 升壓電路工作原理

光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，輸出的直流電能電壓、功率、電流受光伏陣列的本身特性和工作環(huán)境影響，不夠穩(wěn)定。而高頻環(huán)節(jié)逆變器能將光伏電池板輸出的低壓低頻直流電通過(guò)DC/DC 變換器轉(zhuǎn)變成高壓高頻直流電，這部分直流電既可以通過(guò)后級(jí)DC/AC 變換器轉(zhuǎn)變成交流電供給用戶負(fù)載使用，也可以通過(guò)充電控制器將其存儲(chǔ)在蓄電池中，蓄電池可作為直流電源向直流負(fù)載供電。

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象是（新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)）內(nèi)部的DC/DC 變換器，采用的是Boost 升壓電路結(jié)構(gòu)，屬于直接直流變流電路。DC/DC 變換電路包括直接直流變流電路和間接直流變流電路2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接直流變流電路又稱斬波電路，功能是直接將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，這種情況下輸入與輸出之間不隔離，具體Boost 升壓電路的理想電路圖見(jiàn)圖1。

圖1 Boost 升壓電路圖

由圖1 可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置1 時(shí)，電感的右端接地，此時(shí)電感電壓UL等于直流輸入電壓Ug；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2 時(shí)，電感的右端與輸出端連接在一起，此時(shí)電感電壓UL=Ug-U，其中U 為輸出電壓u的直流分量，由于u 紋波很小，因此u 近似等于U。

綜上，可以得到一個(gè)周期Ts內(nèi)電感電壓的波形圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 電感電壓的波形圖

由圖2 可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置1 時(shí)，電感有正的伏秒特性；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2 時(shí)，電感有負(fù)的伏秒特性。由于在穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)周期內(nèi)總的伏秒等于0，具體如公式（1）所示[2]：

式（1）中，Ts為一個(gè)周期，s；D 為占空比，由于D+D′=1，則可進(jìn)一步推導(dǎo)出輸入電壓Ug與輸出電壓U 的函數(shù)關(guān)系式如公式（2）所示。

由此判斷，輸出電壓U＞輸入電壓Ug，Boost 電路起到了升壓作用。

2 光伏發(fā)電效率的影響因素

2.1 光照強(qiáng)度、溫度

當(dāng)外界光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏電池板的輸出特性也會(huì)有所改變，而溫度和光照強(qiáng)度的影響往往是共存的，因?yàn)樘?yáng)能電池吸收光子之后，自身溫度會(huì)升高。光伏電池板是由許多單體光伏電池串并聯(lián)而組成的，光照強(qiáng)度與溫度的變化通過(guò)影響單體光伏電池的輸出特性，進(jìn)而影響整體光伏電池板的輸出特性。其中，單體光伏電池的輸出電流與輸出電壓函數(shù)關(guān)系如公式（3）所示[3]：

式（3）中，IPH為光生電流,A；I0為單體光伏電池內(nèi)部等效二極管的P-N 結(jié)反向飽和電流，A；I 為單體光伏電池的輸出電流，A；U 為單體光伏電池的輸出電壓,V；n 是二極管特性因子，k 是波爾茲曼常量，數(shù)值為0.86×10-4ev/K；q 是單位電荷，數(shù)值為1.6×10-19C；Rs 為單體光伏電池的串聯(lián)內(nèi)阻，Ω；T 為單體光伏電池的表面溫度，℃。光照強(qiáng)度與溫度可以對(duì)電池內(nèi)部參數(shù)光生電流IPH、反向飽和電流I0、串聯(lián)內(nèi)阻Rs 產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響單體光伏電池的輸出特性。

1）對(duì)光生電流IPH的影響

入射光光照強(qiáng)度值越大，其能量越高，相應(yīng)地也會(huì)有越多光子被吸收產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，促進(jìn)了空間電荷區(qū)的不斷擴(kuò)大，內(nèi)電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)加劇，光生電動(dòng)勢(shì)升高，光生電流值IPH也升高。一般地，IPH正比于入射光照強(qiáng)度值與太陽(yáng)能電池板接受光照的表面積。

2）對(duì)反向飽和電流I0的影響

根據(jù)二極管理論，反向飽和電流I0與溫度T 的函數(shù)關(guān)系如公式（4）所示[4]：

式（4）中，Eg是材料的能帶寬度，具有一定的溫度依賴性，對(duì)于硅電池，Eg在Tref=25℃時(shí)的典型值是1.121 ev。一般選取參考溫度Tref=25℃，相應(yīng)地，I0_ref為25℃下二極管的反向飽和電流值，A。

3）對(duì)串聯(lián)內(nèi)阻Rs 的影響

相關(guān)研究表明，串聯(lián)內(nèi)阻是光伏組件溫度T 與入射光照強(qiáng)度S 的函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系如公式（5）所示：

式（5） 中，S 是入射光照強(qiáng)度，lux；Tref為參考溫度，℃；Sref為參考光強(qiáng)，β 約為0.217，相應(yīng)地，Rs_ref為1 000 W/m2，25 ℃條件下串聯(lián)內(nèi)阻阻值。由此可以看出，串聯(lián)內(nèi)阻Rs 基本與入射光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成反比，與外界溫度成正比。

2.2 外接負(fù)載RL

光伏電池板發(fā)出的電可以直接供給直流負(fù)載使用，其輸出電壓和輸出電流都與負(fù)載RL的阻值有關(guān)。一般地，對(duì)于同一負(fù)載RL，在不同的外界環(huán)境條件下，其工作點(diǎn)位置不同。在同一外界環(huán)境條件下，改變RL的阻值大小，其工作點(diǎn)位置也會(huì)有所改變，且總有相應(yīng)的RL阻值使光伏電池板輸出最大功率[5]。具體函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖3，其中Vm，Voc，Im，Isc 分別表示光伏電池最佳工作點(diǎn)電壓、開(kāi)路電壓、最佳工作點(diǎn)電流及短路電流。

圖3 光伏電池輸出伏安特性曲線

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

3.1 升壓電路

本文實(shí)驗(yàn)建立在新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)主要由模擬光源、光伏電池板、光伏發(fā)電模塊、DC/DC 模塊電路、DC/AC 模塊電路、充電管理器、蓄電池組、直流負(fù)載及直流24 V 穩(wěn)壓源組成。具體的系統(tǒng)設(shè)備面板見(jiàn)圖4。

圖4 新能源發(fā)電仿真設(shè)備面板

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先在確保設(shè)備面板上所有開(kāi)關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)的前提下，按照正確的連線方式進(jìn)行接線，使光伏電池板輸出的電能經(jīng)DC/DC-I 升壓電路升壓后，直接通過(guò)充電管理器給蓄電池充電[6]，同時(shí)外接直流24 V 穩(wěn)壓源，使其輸出的電能經(jīng)DC/DC-II 升壓電路升壓后，也通過(guò)充電管理器給蓄電池補(bǔ)充充電，具體的電路模型見(jiàn)圖5。

圖5 仿真電路模型

接好線之后，打開(kāi)空氣開(kāi)關(guān)啟動(dòng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，按下光伏發(fā)電模塊啟動(dòng)按鈕并點(diǎn)亮模擬光源，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入光伏發(fā)電運(yùn)行模式。通過(guò)面板上的調(diào)整按鈕將光伏電池板調(diào)至與光源光線垂直位置，依次打開(kāi)直流24 V 穩(wěn)壓源開(kāi)關(guān)、DC/DC-1 電路、DC/DC-II 電路以及充電管理器的開(kāi)關(guān)，同時(shí)開(kāi)機(jī)進(jìn)入組態(tài)王監(jiān)控界面，從而實(shí)時(shí)地獲取光伏發(fā)電電壓數(shù)值、蓄電池電壓數(shù)值、光伏發(fā)電電流數(shù)值等數(shù)據(jù)，具體監(jiān)控界面顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：光伏發(fā)電電壓值34.83 V，經(jīng)DC/DC-I 電路升壓后電壓值為35.52 V，直流穩(wěn)壓源電壓值24.35 V，經(jīng)DC/DC-II 電路升壓后電壓值35.68 V，此時(shí)蓄電池正處于充電狀態(tài)（-0.01 A）,蓄電池當(dāng)前電壓值為0.02 V。

3.2 光伏發(fā)電效率與光強(qiáng)、RL 阻值的關(guān)系

在探究光強(qiáng)與光伏電池板發(fā)電效率關(guān)系的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，同樣先在確保設(shè)備面板上所有開(kāi)關(guān)都處于關(guān)閉狀態(tài)的前提下連接好線路，使光伏發(fā)電模塊直接接入直流負(fù)載模塊，啟動(dòng)光伏發(fā)電模式并點(diǎn)亮光源。通過(guò)面板上的調(diào)整按鈕將光伏電池板調(diào)至水平位置，并將光源運(yùn)行到某一固定時(shí)段（中午），同時(shí)把直流負(fù)載RL的阻值調(diào)至某一固定數(shù)值，再通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備面板上的光源亮度旋鈕來(lái)控制光強(qiáng)大小，分別觀察光照處于弱、中、強(qiáng)3 個(gè)檔位時(shí)組態(tài)王的監(jiān)控界面，匯總實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 輸出電壓、電流仿真曲線圖

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)其它影響因素保持不變時(shí)，光照強(qiáng)度值越大，光伏電池板的輸出電壓值及輸出電流值越高，相應(yīng)地輸出功率越高，發(fā)電效率也越高。在探究外接直流負(fù)載RL阻值對(duì)光伏電池板發(fā)電效率影響的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將光源運(yùn)行到某一固定時(shí)段（中午），調(diào)節(jié)設(shè)備面板上的光源亮度旋鈕將其旋轉(zhuǎn)至某一固定位置，觀察負(fù)載RL阻值在不同大小時(shí)光伏電池板的輸出電壓、電流大小。首先順時(shí)針調(diào)節(jié)負(fù)載旋鈕將RL阻值調(diào)至最大值，將當(dāng)前光伏電池板輸出的電流、電壓值記錄為第1 組數(shù)據(jù)。之后將負(fù)載旋鈕往逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，RL阻值越來(lái)越小，每旋轉(zhuǎn)半圈，組態(tài)王監(jiān)控界面便會(huì)自動(dòng)采集到當(dāng)前的數(shù)據(jù)并標(biāo)出相應(yīng)的采集點(diǎn)，最終繪制出RL阻值從最大值調(diào)至最小值的全過(guò)程中光伏電池板輸出的P-V 特性曲線變化圖，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 P-V 特性曲線（W/V）

此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光伏電池板的輸出功率隨著負(fù)載RL阻值的變化而呈現(xiàn)非規(guī)律性的變化，輸出功率曲線存在極大值，因此控制RL的阻值在一定論域內(nèi)有著重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在新能源發(fā)電仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究，并配合組態(tài)王進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以有效地觀察光伏發(fā)電效率與外界影響因素的關(guān)系，以及光伏電池板通過(guò)DC/DC 變換器向蓄電池充電的全過(guò)程，具有較好的研究意義。