王藝蓉 田 笑 劉 驍

（南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京 210000）

1 單個光伏組件的模型設(shè)計(jì)

光伏電池是光伏組件中重要的一種，也是光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)。光伏電池是一種元器件，利用光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電能的轉(zhuǎn)化。光伏電池通常由硅半導(dǎo)體材料構(gòu)成，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)被光照時，會形成新的空穴電子對。在半導(dǎo)體硅內(nèi)部電場的作用下，N型區(qū)的空穴流向P型區(qū)，P型區(qū)的電子流向N型區(qū)，進(jìn)而在電池的兩端產(chǎn)生電壓[1]。

首先進(jìn)行光伏電池?cái)?shù)學(xué)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(jù)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(jìn)而得出光伏電池的輸出電流公式：

式中：Iph為光子激發(fā)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(shù)（J/K）；A為二極管特性因子；T為環(huán)境溫度（K）；Rs為光伏電池的等效內(nèi)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(shù)[2]，計(jì)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(biāo)稱溫度（K）；Eg0為半導(dǎo)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(lián)單元數(shù)；Rs為串聯(lián)電阻（Ω）；Rsh為并聯(lián)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(jù)上述數(shù)據(jù)可進(jìn)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(lián)的模型設(shè)計(jì)

為更加貼合實(shí)際，體現(xiàn)多峰，建立多個光伏組件串并聯(lián)的Matlab/Simulink仿真模型。

首先建立兩塊光伏組件串聯(lián)的仿真模型。對兩塊組件進(jìn)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(jié)果如圖3所示，U-I結(jié)果如圖4所示。

圖3 兩塊光伏組件串聯(lián)時U-P輸出特性曲線

圖4 兩塊光伏組件串聯(lián)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(lián)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(diǎn)（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(lián)的基礎(chǔ)上，再串聯(lián)上一塊光伏組件，建立三塊光伏組件串聯(lián)的仿真模型。對三塊組件進(jìn)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(jié)果如圖5所示，U-I結(jié)果如圖6所示。

圖5 三塊光伏組件串聯(lián)時U-P輸出特性曲線

圖6 三塊光伏組件串聯(lián)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(lián)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(diǎn)（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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，在光伏組件串聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了光伏組件串并聯(lián)的仿真模型，即2×2光伏陣列的仿真模型。該仿真模型先進(jìn)行兩次兩塊光伏組件的串聯(lián)，再將兩次串聯(lián)得到的部分進(jìn)行并聯(lián)，得到2×2光伏陣列的仿真模型。

對四塊組件進(jìn)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(jié)果如圖7所示，U-I結(jié)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(diǎn)（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(jié)論

通過仿真得出以下結(jié)論：

（1）在復(fù)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(lián)的光伏陣列和三塊光伏組件串聯(lián)的光伏陣列U-P特性輸出曲線均會存在多個最大功率點(diǎn)，但最大功率點(diǎn)的位置卻不確定，需要進(jìn)行更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

（2）上述對兩塊光伏組件串聯(lián)、三塊光伏組件串聯(lián)和2×2光伏陣列的性能考察結(jié)果表明，多輻射強(qiáng)度會導(dǎo)致功率多峰值的出現(xiàn)，尤其是在復(fù)雜光照條件下，常規(guī)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，如擾動干擾法和電導(dǎo)增量法，可能會因?yàn)橹荒軝z測到最大功率點(diǎn)為極大值點(diǎn)而失效。因此，后續(xù)需要就改進(jìn)跟蹤算法進(jìn)行最大功率研究。