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。