不同光照條件對光伏組件及其構建的光伏發電系統的影響研究

王藝蓉 田 笑 劉 驍

（南京工程學院電力工程學院，江蘇南京 210000）

1 單個光伏組件的模型設計

光伏電池是光伏組件中重要的一種，也是光伏系統的基礎。光伏電池是一種元器件，利用光伏效應實現光電能的轉化。光伏電池通常由硅半導體材料構成，當半導體PN結被光照時，會形成新的空穴電子對。在半導體硅內部電場的作用下，N型區的空穴流向P型區，P型區的電子流向N型區，進而在電池的兩端產生電壓[1]。

首先進行光伏電池數學模型的建立和Simulink仿真建模。光伏電池單體等效電路模型如圖1所示。

圖1 光伏電池單體等效電路模型

根據光伏電池單體等效電路模型，可由基爾霍夫定律列出KCL、KVL方程，進而得出光伏電池的輸出電流公式：

式中：Iph為光子激發的電流（A）；I0為無光照時二極管的反向飽和電流（A）；q為電子的電荷量（C）；k為玻耳茲曼常數（J/K）；A為二極管特性因子；T為環境溫度（K）；Rs為光伏電池的等效內部電阻（Ω）；Rsh為光伏電池的等效旁路電阻（Ω）。

在分析其特性時，還用到了光伏電池飽和電流、反向飽和電流、等效電阻分流電流、光生電流等參數[2]，計算方式如下：

式中：Irs為反向飽和電流（A）；Isc為短路電流（A）；Ish為等效電阻分流電流（A）；T為外界溫度（K）；Tn為標稱溫度（K）；Eg0為半導體帶隙能量（eV）；n為二極管理想因子；Voc為開路電壓（V）；Ns為串聯單元數；Rs為串聯電阻（Ω）；Rsh為并聯電阻（Ω）；ki為25 ℃、1 000 W/m2下電池短路電流（A）；G為太陽輻照度（W/m2）。

根據上述數據可進行仿真建模，建立如圖2所示單個光伏組件仿真模型。

圖2 單個光伏組件仿真模型

2 多個光伏組件串并聯的模型設計

為更加貼合實際，體現多峰，建立多個光伏組件串并聯的Matlab/Simulink仿真模型。

首先建立兩塊光伏組件串聯的仿真模型。對兩塊組件進行不同的輻照度輸入，其中輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為500 W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為600 W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為400 W/m2得出曲線3。仿真后得到的U-P結果如圖3所示，U-I結果如圖4所示。

圖3 兩塊光伏組件串聯時U-P輸出特性曲線

圖4 兩塊光伏組件串聯時U-I輸出特性曲線

由輸出特性曲線可看出，兩塊光伏組件串聯的光伏陣列U-P特性輸出曲線為多峰值狀，且存在多個最大功率點（曲線2）；U-I特性輸出曲線為階梯狀（曲線2、曲線3）。

在兩塊光伏組件串聯的基礎上，再串聯上一塊光伏組件，建立三塊光伏組件串聯的仿真模型。對三塊組件進行不同的輻照度輸入，其中輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為500 W/m2、組件三輻照度為500 W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為200 W/m2、組件二輻照度為700 W/m2、組件三輻照度為1 000 W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為100 W/m2、組件二輻照度為300 W/m2、組件三輻照度為500 W/m2得出曲線3。仿真后得到的U-P結果如圖5所示，U-I結果如圖6所示。

圖5 三塊光伏組件串聯時U-P輸出特性曲線

圖6 三塊光伏組件串聯時U-I輸出特性曲線

由輸出特性曲線可看出，三塊光伏組件串聯的光伏陣列U-P特性輸出曲線為多峰值狀，且存在多個最大功率點（曲線2、曲線3）；U-I特性輸出曲線為階梯狀（曲線2、曲線3）。

針對24 V離網發電系統，在光伏組件串聯模型的基礎上，進行了光伏組件串并聯的仿真模型，即2×2光伏陣列的仿真模型。該仿真模型先進行兩次兩塊光伏組件的串聯，再將兩次串聯得到的部分進行并聯，得到2×2光伏陣列的仿真模型。

對四塊組件進行不同的輻照度輸入，其中輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為500 W/m2、組件三輻照度為500 W/m2、組件四輻照度為500 W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為800 W/m2、組件二輻照度為600 W/m2、組件三輻照度為900 W/m2、組件四輻照度為500 W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為500 W/m2、組件二輻照度為1 100 W/m2、組件三輻照度為500 W/m2、組件四輻照度為1 100 W/m2得出曲線3。仿真后得到的U-P結果如圖7所示，U-I結果如圖8所示。

圖7 2×2光伏陣列的U-P輸出特性曲線

圖8 2×2光伏陣列的U-I輸出特性曲線

由輸出特性曲線可看出，2×2光伏陣列的U-P特性輸出曲線為多峰值狀，且存在多個最大功率點（曲線2、曲線3）；U-I特性輸出曲線為階梯狀（曲線2、曲線3）。

3 結論

通過仿真得出以下結論：

（1）在復雜的光照條件下，以上光伏陣列的U-P特性輸出曲線均呈多峰值狀，U-I特性輸出曲線均呈階梯狀，且兩塊光伏組件串聯的光伏陣列和三塊光伏組件串聯的光伏陣列U-P特性輸出曲線均會存在多個最大功率點，但最大功率點的位置卻不確定，需要進行更進一步的實驗。

（2）上述對兩塊光伏組件串聯、三塊光伏組件串聯和2×2光伏陣列的性能考察結果表明，多輻射強度會導致功率多峰值的出現，尤其是在復雜光照條件下，常規的最大功率點跟蹤算法，如擾動干擾法和電導增量法，可能會因為只能檢測到最大功率點為極大值點而失效。因此，后續需要就改進跟蹤算法進行最大功率研究。