摘

要：為保證各個(gè)模組的穩(wěn)定輸出與光伏組件接入的配電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠性，有必要研究不同光照條件對(duì)光伏組件的影響，以及對(duì)其構(gòu)建的光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，為光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支持。現(xiàn)建立了光伏電池單體的仿真模型，并以此為基礎(chǔ)，建立兩塊和三塊組件串聯(lián)的模型，最后建立了2×2的光伏陣列仿真模型。利用Matlab/Simulink軟件，仿真后得到了仿真模型在多種復(fù)雜光照下的U-P和U-I特性輸出曲線，并根據(jù)仿真結(jié)果總結(jié)了該情況下U-P和U-I輸出特性的規(guī)律。關(guān)鍵詞：光伏陣列；Matlab/Simulink；仿真建模；輸出特性1單個(gè)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(shí)，會(huì)形成新的空穴電子對(duì)。在半導(dǎo)體硅內(nèi)部電場(chǎng)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。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。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(wú)光照時(shí)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(shí)，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)，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(chēng)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(kāi)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℃、1000W/m2下電池短路電流（A）；G為太陽(yáng)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(gè)光伏組件仿真模型。2多個(gè)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(gè)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(duì)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500W/m2、組件二輻照度為500W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為500W/m2、組件二輻照度為600W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為500W/m2、組件二輻照度為400W/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。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(gè)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(duì)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500W/m2、組件二輻照度為500W/m2、組件三輻照度為500W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為200W/m2、組件二輻照度為700W/m2、組件三輻照度為1000W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為100W/m2、組件二輻照度為300W/m2、組件三輻照度為500W/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。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(gè)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(duì)24V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(duì)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500W/m2、組件二輻照度為500W/m2、組件三輻照度為500W/m2、組件四輻照度為500W/m2得出曲線1；輸入組件一輻照度為800W/m2、組件二輻照度為600W/m2、組件三輻照度為900W/m2、組件四輻照度為500W/m2得出曲線2；輸入組件一輻照度為500W/m2、組件二輻照度為1100W/m2、組件三輻照度為500W/m2、組件四輻照度為1100W/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。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(gè)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(guò)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(huì)存在多個(gè)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(duì)兩塊光伏組件串聯(lián)、三塊光伏組件串聯(lián)和2×2光伏