基于光伏系統發電效率及升壓器仿真實驗探究

牛 真，魏立明

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春 130118）

0 引言

目前，我國傳統能源消耗日益加劇，將新能源引入能源發電領域已成必然趨勢。太陽能作為一種可持續利用的清潔能源，具有絕對的安全性、相對的廣泛性、資源的充足性及潛在的經濟性等優點，在長期的能源戰略中居于領先的地位[1]。太陽能發電技術的發展對緩解我國能源危機、減少環境污染、提高人們的生活水平具有非常重要的意義。本文以新能源發電仿真設備為實驗對象，分析和探究太陽能發電系統的工作過程及特點。

1 Boost 升壓電路工作原理

光伏電池板將太陽能轉換成電能，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境影響，不夠穩定。而高頻環節逆變器能將光伏電池板輸出的低壓低頻直流電通過DC/DC 變換器轉變成高壓高頻直流電，這部分直流電既可以通過后級DC/AC 變換器轉變成交流電供給用戶負載使用，也可以通過充電控制器將其存儲在蓄電池中，蓄電池可作為直流電源向直流負載供電。

本文實驗對象是（新能源發電仿真系統）內部的DC/DC 變換器，采用的是Boost 升壓電路結構，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 種拓撲結構，直接直流變流電路又稱斬波電路，功能是直接將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電，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圖1。

圖1 Boost 升壓電路圖

由圖1 可知，當開關處于位置1 時，電感的右端接地，此時電感電壓UL等于直流輸入電壓Ug；當開關處于位置2 時，電感的右端與輸出端連接在一起，此時電感電壓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，可以得到一個周期Ts內電感電壓的波形圖（見圖2）。

圖2 電感電壓的波形圖

由圖2 可知，當開關處于位置1 時，電感有正的伏秒特性；當開關處于位置2 時，電感有負的伏秒特性。由于在穩定狀態，一個周期內總的伏秒等于0，具體如公式（1）所示[2]：

式（1）中，Ts為一個周期，s；D 為占空比，由于D+D′=1，則可進一步推導出輸入電壓Ug與輸出電壓U 的函數關系式如公式（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 光伏發電效率的影響因素

2.1 光照強度、溫度

當外界光照強度發生變化時，光伏電池板的輸出特性也會有所改變，而溫度和光照強度的影響往往是共存的，因為太陽能電池吸收光子之后，自身溫度會升高。光伏電池板是由許多單體光伏電池串并聯而組成的，光照強度與溫度的變化通過影響單體光伏電池的輸出特性，進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關系如公式（3）所示[3]：

式（3）中，IPH為光生電流,A；I0為單體光伏電池內部等效二極管的P-N 結反向飽和電流，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，數值為0.86×10-4ev/K；q 是單位電荷，數值為1.6×10-19C；Rs 為單體光伏電池的串聯內阻，Ω；T 為單體光伏電池的表面溫度，℃。光照強度與溫度可以對電池內部參數光生電流IPH、反向飽和電流I0、串聯內阻Rs 產生影響，進而影響單體光伏電池的輸出特性。

1）對光生電流IPH的影響

入射光光照強度值越大，其能量越高，相應地也會有越多光子被吸收產生電子—空穴對，促進了空間電荷區的不斷擴大，內電場逐漸增強，導致少數載流子漂移運動加劇，光生電動勢升高，光生電流值IPH也升高。一般地，IPH正比于入射光照強度值與太陽能電池板接受光照的表面積。

2）對反向飽和電流I0的影響

根據二極管理論，反向飽和電流I0與溫度T 的函數關系如公式（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，對于硅電池，Eg在Tref=25℃時的典型值是1.121 ev。一般選取參考溫度Tref=25℃，相應地，I0_ref為25℃下二極管的反向飽和電流值，A。

3）對串聯內阻Rs 的影響

相關研究表明，串聯內阻是光伏組件溫度T 與入射光照強度S 的函數，具體的函數關系如公式（5）所示：

式（5） 中，S 是入射光照強度，lux；Tref為參考溫度，℃；Sref為參考光強，β 約為0.217，相應地，Rs_ref為1 000 W/m2，25 ℃條件下串聯內阻阻值。由此可以看出，串聯內阻Rs 基本與入射光照強度的對數成反比，與外界溫度成正比。

2.2 外接負載RL

光伏電池板發出的電可以直接供給直流負載使用，其輸出電壓和輸出電流都與負載RL的阻值有關。一般地，對于同一負載RL，在不同的外界環境條件下，其工作點位置不同。在同一外界環境條件下，改變RL的阻值大小，其工作點位置也會有所改變，且總有相應的RL阻值使光伏電池板輸出最大功率[5]。具體函數關系見圖3，其中Vm，Voc，Im，Isc 分別表示光伏電池最佳工作點電壓、開路電壓、最佳工作點電流及短路電流。

圖3 光伏電池輸出伏安特性曲線

3 光伏發電系統仿真分析

3.1 升壓電路

本文實驗建立在新能源發電仿真系統的基礎上，該系統主要由模擬光源、光伏電池板、光伏發電模塊、DC/DC 模塊電路、DC/AC 模塊電路、充電管理器、蓄電池組、直流負載及直流24 V 穩壓源組成。具體的系統設備面板見圖4。

圖4 新能源發電仿真設備面板

實驗過程中，首先在確保設備面板上所有開關都處于關閉狀態的前提下，按照正確的連線方式進行接線，使光伏電池板輸出的電能經DC/DC-I 升壓電路升壓后，直接通過充電管理器給蓄電池充電[6]，同時外接直流24 V 穩壓源，使其輸出的電能經DC/DC-II 升壓電路升壓后，也通過充電管理器給蓄電池補充充電，具體的電路模型見圖5。

圖5 仿真電路模型

接好線之后，打開空氣開關啟動實訓平臺，按下光伏發電模塊啟動按鈕并點亮模擬光源，此時系統進入光伏發電運行模式。通過面板上的調整按鈕將光伏電池板調至與光源光線垂直位置，依次打開直流24 V 穩壓源開關、DC/DC-1 電路、DC/DC-II 電路以及充電管理器的開關，同時開機進入組態王監控界面，從而實時地獲取光伏發電電壓數值、蓄電池電壓數值、光伏發電電流數值等數據，具體監控界面顯示實驗結果為：光伏發電電壓值34.83 V，經DC/DC-I 電路升壓后電壓值為35.52 V，直流穩壓源電壓值24.35 V，經DC/DC-II 電路升壓后電壓值35.68 V，此時蓄電池正處于充電狀態（-0.01 A）,蓄電池當前電壓值為0.02 V。

3.2 光伏發電效率與光強、RL 阻值的關系

在探究光強與光伏電池板發電效率關系的實驗過程中，同樣先在確保設備面板上所有開關都處于關閉狀態的前提下連接好線路，使光伏發電模塊直接接入直流負載模塊，啟動光伏發電模式并點亮光源。通過面板上的調整按鈕將光伏電池板調至水平位置，并將光源運行到某一固定時段（中午），同時把直流負載RL的阻值調至某一固定數值，再通過調節設備面板上的光源亮度旋鈕來控制光強大小，分別觀察光照處于弱、中、強3 個檔位時組態王的監控界面，匯總實驗結果見圖6。

圖6 輸出電壓、電流仿真曲線圖

以上實驗結果表明，當其它影響因素保持不變時，光照強度值越大，光伏電池板的輸出電壓值及輸出電流值越高，相應地輸出功率越高，發電效率也越高。在探究外接直流負載RL阻值對光伏電池板發電效率影響的實驗過程中，先將光源運行到某一固定時段（中午），調節設備面板上的光源亮度旋鈕將其旋轉至某一固定位置，觀察負載RL阻值在不同大小時光伏電池板的輸出電壓、電流大小。首先順時針調節負載旋鈕將RL阻值調至最大值，將當前光伏電池板輸出的電流、電壓值記錄為第1 組數據。之后將負載旋鈕往逆時針方向旋轉，RL阻值越來越小，每旋轉半圈，組態王監控界面便會自動采集到當前的數據并標出相應的采集點，最終繪制出RL阻值從最大值調至最小值的全過程中光伏電池板輸出的P-V 特性曲線變化圖，具體實驗結果見圖7。

圖7 P-V 特性曲線（W/V）

此實驗結果表明，光伏電池板的輸出功率隨著負載RL阻值的變化而呈現非規律性的變化，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有著重要的意義。

4 結語

本文在新能源發電仿真系統的基礎上對光伏發電系統進行研究，并配合組態王進行實驗仿真。通過實驗結果可以有效地觀察光伏發電效率與外界影響因素的關系，以及光伏電池板通過DC/DC 變換器向蓄電池充電的全過程，具有較好的研究意義。