標準化視域下光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤研究

曲春英

（海南師范大學，海南 海口 571158）

據國家能源局相關統計數據顯示，截至2023年，我國光伏電池產量達到541.16 GW，同比增長54%，在工業發展領域當中占據了關鍵性地位。作為太陽能發電系統當中的關鍵性組件，光伏電池運行過程當中的影響要素較為復雜，有關研究者以及技術團隊需要從實際出發針對不同環境條件下光伏電池的輸出表現情況進行綜合分析，結合國家標準組織開展相關研究，同時為光伏電池的功率輸出與運行提供更加合理的解決方案。

1 光伏電池的主要工作原理

隨著技術的不斷進步，光伏電池的工作原理也在逐步升級變化?，F階段市場環境下常見的光伏電池主要分為單晶硅電池以及多晶硅電池兩種主要類別，基于半導體材料的光生伏打效應，能夠使材料內部電荷數量產生變化，使材料不同部位之間產生電勢差，進而形成電流輸出，實現發電目標。

為了更加清晰地針對光伏電池的工作原理進行梳理與分析，基于特殊模型進行分析與解釋。在硅原子外部共有14個電子圍繞，而其內部10個電子則會被原子核束縛，因此在外部環境因素刺激與影響下，外層四個電子可能會轉化成為自由電子，其原有的位置則會成為空穴，并與電子的極性相反。當N硅與P硅相結合時，P區的空穴向N區擴散，而N區的電子向P區擴散，在這一過程當中，N區帶正電，P區帶負電，半導體材料內部出現電場，材料兩端產生電壓，當光子能量超出半導體禁帶寬度時，則會產生電流。為了進一步展現出半導體光伏材料的電學性能，充分降低材料內部電阻，使其能夠在工業發電領域得到更加廣泛地應用，將上述材料制成板狀結構，同時采用導線對負載進行外接，形成光伏電池。

在針對光伏電池輸出特性以及最大功率進行試驗研究的同時，應分別遵循《光伏組件耐久性能測試標準》（IEC61215-2：2021）、《光伏組件安全認證》（IEC61730-1：2016）、《光伏組件性能測試和能效評定》（IEC61853-1-2018）等相關標準文件。

2 模型構建與分析

2.1 等效物理模型構建

基于上文可知，光伏電池的運行原理乃至工作模式主要基于半導體材料的光生伏打效應，當外部光照強度不變時，材料所產生的光生電流同樣也較為穩定，不會產生大幅度的波動與變化。因此，在等效物理模型構建的同時，可將光伏電池作為理想狀態下輸出恒定的電源，并能夠基于負載提供相應電能支持。在這一過程當中產生端電壓與電流，電流與光生電流方向相反。除此之外，受到材料、工藝以及環境特性等相關因素的影響，在光伏電池運行和工作過程當中，還可能會產生一定程度上的電阻，導致電流在光伏電池材料當中的流動產生一定阻礙。具體電阻類別包括純電阻、旁漏電阻等。因此，光伏電池的運行原理以及工作模式可基于以下公式進行表述：

式中，I代表光伏電池運行工作過程當中所產生的電流，U代表光伏電池運行過程當中所產生的電壓，Ish代表流經電阻的電流量，Rsh代表旁漏電阻數值，Rs代表不同材料之間連接過程當中所產生的串聯電阻，Iph表示理想狀態下恒定不變的光生電流數值，Id表示端電壓引發的電流。

通過光伏電池運行過程等效物理模型的構建，能夠在一定程度上較為直觀地將電池的工作原理以及能源轉換過程進行展現，從而為相關研究的開展提供相應支持。

2.2 工程用數學模型

在實際工程運行過程當中，為進一步考慮到成本、環境以及系統可靠性等相關要素的影響，在模型建構的過程當中，還應當遵循可行性原則，將開路電壓、短路電流、最大功率點電流以及最大功率點電壓等四項基本參數納入模型當中，確保最終分析結果與光伏電池實際運行情況之間的一致性，使其能夠更好地為光伏電池的設計與運行管理提供相應參考。

在光伏電池實際運作過程當中，光生電流量往往顯著高于流經電阻電流量，因此實際工程用模型內部可適當忽略電阻值所造成的影響。此外，在分析實驗過程當中，將光生電流量與短路電流量設定為同值，確保最大功率點電流、電壓符合實際狀況。最終可得電壓、電流數值模型為：

式中，Isc為短路電流值，Uoc為開路電壓值，Im為最大功率點處電流值，Um為最大功率點處電壓值?；谏鲜娇傻?，在掌握理想狀態下光照強度以及電流電壓情況下，即能夠通過相關公式與模型針對最大功率點部位的電流與電壓數值進行推算，使研究者以及技術團隊能夠掌握光伏電池工作運行過程當中電壓與電流之間的函數關聯，為后續分析和研究提供相應支持。

2.3 實驗與特性分析

從上文能夠得知，基于太陽能光伏電池實際運行原理以及運行狀況，分別基于理想狀態下以及工程實際情況分別給出了相應的數學模型以及推算過程，使仿真實驗研究工作的開展能夠獲取到充分的信息資料，為相關研究工作的開展提供了更加堅實的支持。

首先，為保障仿真實驗研究工作的順利開展，需要針對實驗平臺以及研究環境進行選定。在本次研究過程當中，為兼顧最終實驗結果的準確可靠以及實驗分析流程的便捷高效，選用Matlab平臺當中Simulink工具提供相應支持，結合平臺相關工具功能，能夠將合理的電池運行參數導入到上文所搭建的相關模型當中，并開始進行仿真模擬實驗，給出相應仿真結果并總結相關規律。

其次，需要針對仿真對象進行分析，在針對太陽能光伏電池進行仿真實驗分析的過程當中，所選擇的實驗對象以及仿真對象應兼顧代表性與可行性，本次實驗過程當中選用CSUN200-72M光伏電池的運行情況開展仿真實驗，基于該型電池運行情況以及性能指標，將模型最大功率點電壓值設定為37.6 V，最大功率點電流值設定為5.32 A，開路電壓值設定為45.3 V，短路電流值設定為5.72 A，整個電池系統最大功率設定為200 W。

最后，結合仿真實驗研究最終結果給出相應特性總結與分析。從實驗結果來看，在標準運行條件下，光伏電池的電流與電壓曲線呈現出先平緩發展后突然下降的趨勢，在光照條件、溫度條件標準化，電壓值在0～30 V的條件下，光伏電池電流值長期保持在5.7 A左右的水平，而在電壓值為30～45 V區間時，光伏電池電流值急劇下降，從5.7 A劇烈下降至0，因此標準狀態下光伏電池的I/U并不存在線性關系。另外，從電池P/U關系仿真實驗結果來看，其函數曲線呈現出先生后將的特性，其中，當光伏電池電壓從0 V提升至35 V時，電池的輸出功率從0大幅度攀升至200 W，而當電壓達到37 V時，電池輸出功率開始下降，最終在電壓達到45 V時功率為0。在此基礎上，由于太陽能光伏電池日常運行工作過程當中外界環境因素可能會帶來較為顯著的影響，因此溫度與光照強度的變化對于參數關聯曲線也會產生一定影響，其中，當光照強度相同時，不同溫度下電流電壓曲線當中的極值以及下降閾值均發生了相應變化。

建模與計算過程當中，應嚴格遵循《光伏發電系統模型及參數測試規程》（GB/T 32892-2016）、《光伏發電系統建模導則》（GB/T 32826-2016）等相關標準文件。

3 最大功率點跟蹤仿真

研究團隊以及技術人員還需要針對電池最大功率點的運行和工作狀態進行跟蹤研究，并為相關方案的建設提供參考和依據。

3.1 MPPT控制策略

作為光伏電池技術研究領域當中的重要組成部分，基于最大功率點進行的跟蹤仿真工作同樣也具備關鍵性作用。常見的跟蹤仿真技術手段涵蓋了擾動觀測、電導增量等幾種不同方式，具體流程如下。

3.1.1 擾動觀測

在太陽能光伏電池的工作和運行過程當中，其內部電壓與功率的關系往往呈一定規律變化特點，及時掌握電池電壓功率的函數變化曲線，對于明確最大功率點的運行狀態以及運行工況，同時做好光伏電池的運行管理與調節具有關鍵性作用。

在本次研究過程當中，結合案例太陽能光伏電池的電壓功率波動特性，選取了四個跟蹤觀測點位，并針對觀測過程當中光伏電池的電壓狀態以及輸出功率變化情況進行記錄，結果顯示，在最大功率點前，隨著光伏電池電壓值的不斷增大，電池的輸出功率同樣也呈提升趨勢，功率與電壓之間成正比關系，到達最大功率點后，隨著電壓值的不斷增加，電池的輸出功率值開始下降，因此在太陽能光伏電池運行管理與協調過程中，需要結合電池形態掌握其最大功率點性能指標以及性能參數，同時做好現場電池運行監控工作，在輸出功率到達最大功率點之前，應持續增加電池電壓，使其能夠逐步達到最佳工作狀態，而當電壓超出閾值導致功率下降時，則應當按照光伏電池運行特性適當減少電壓，確保其輸出功率達標。

由于這一觀察與實驗方法的流程較為簡便，最終效果較好，因此在太陽能光伏電池最大功率點跟蹤研究相關領域當中的應用較為廣泛，但這一策略與方法依然存在一定不足與局限性，受到該方法模式的影響，導致其跟蹤過程當中可能會出現一定的電能浪費，對光伏電池的應用和運行效益造成一定影響。

3.1.2 電導增量

從太陽能光伏電池輸出功率特性及其P/U曲線關系來看，其呈現出先升后降的特點，因此在整個電壓功率發展過程當中，僅具備單一的關聯峰值，因此該點即為太陽能光伏電池最大功率點，考慮到電能物理特性等相關因素的影響，為了更好地獲取到最大功率點部位電壓情況，使太陽能光伏電池能夠始終處于理想的運行與工作狀態下，提升電池的應用效益，減少其應用成本，技術人員以及研究團隊可基于電導增量的方式針對電壓功率之間的關聯特性進行進一步分析，明確掌握電導變化量以及瞬時電導值大小情況，并以此針對最大功率點的電壓電流情況做出分析與判斷，實現對太陽能光伏電池運行工況的及時識別、跟蹤與分析。

在針對電導增量法進行應用的過程當中，研究人員應當選取合適的工作點，并明確工作點位當中的電壓與電流情況，同時進行微分計算，從而明確不同工況狀態下光伏電池的功率輸出特點，為電池工作方案的規劃與設計提供支持。作為一種穩定性與準確性較好的跟蹤研究方法，采用電導增量法針對太陽能光伏電池的電壓、功率等指標參數特性展開分析與研究，能夠更加直觀地明確光伏電池的運行狀態以及輸出特性，并且能夠及時掌握外部環境變化如光照條件以及溫度情況對于電池功率輸出產生的相關影響，使光伏電池的協調控制更加規范合理。從實驗結果來看，采用電導增量法針對光伏電池的運行工況進行研究，能夠針對0.01 s以內電池的電壓、功率狀態變化情況進行判斷與分析，及時掌握溫度情況以及光照條件變化對于功率極值及其曲線所造成的影響，但受到步長因素的影響，導致光伏電池的功率跟蹤結果可能會發生一定變化，對其精度可能會產生一定影響。

仿真分析過程當中，需要遵循《村鎮光伏發電站集群控制系統仿真測試技術要求》（GB/T 40616-2021）等國家標準文件。

3.2 仿真實驗結果

上文給出了兩種針對太陽能光伏電池進行的最大功率點跟蹤研究方法，在研究結果精度以及跟蹤流程便捷性等方面呈現出一定的差異。因此為了更好地針對最大功率點跟蹤研究方式進行選擇，保障最終研究結果與太陽能光伏電池輸出情況的一致性，技術團隊以及研究人員還應當基于仿真實驗的方式提供更加準確的依據和數值，使技術方法的選擇以及光伏電池運行方案的調控更加合理。

文章基于擾動觀測的方式開展仿真研究，將研究周期定為T，將步長定為δd，分別結合太陽能光伏電池的實際情況進行了三次取值，同時針對不同點位電壓與功率之間的關聯性進行了計算。結果顯示，在采用擾動觀測的方法進行光伏電池最大功率點跟蹤研究的同時，應當認識到步長要素對于采樣周期以及跟蹤速度所產生的影響，從而進一步提升跟蹤研究方案的合理性。

4 結論

綜上所述，在太陽能光伏電池的研究與應用過程當中，明確電池的輸出特性，掌握其最大功率點的運行情況對于降低電池使用成本，提升電池應用效益具有重要意義。相關技術團隊以及研究者應當從實際出發，基于國家相關標準開展試驗研究與仿真分析，進而及時掌握光伏電池的研究策略以及研究方案，為電池系統的應用提供支持。