（电力电子与电力传动专业论文）新型光伏阵列模拟器的研究与设计.pdf

浙江大学硕学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo f an o v e lp h o t o v o l t a i ca r r a ys i m u l a t o r f i r s t l y , t h et h e m es h o w st h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y , t h e n i n t r o d u c e st h ep vs y s t e ma n dp va r r a y , b a s eo nt h i s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t u d y b a c k g r o u n d ，s i g n i f i c a n c ea n d t h er e s e a r c hc o n d u c t e dh o m ea n da b r o a do n s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs o l a rc e l l ，s h o w st h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e lo fp va r r a y , t h e na n a l y z e st h ei - v - p vo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e e n v i r o n m e n tf a c t o r sa f f e c to ni t t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep v - a r r a ya n d t h es i m u l m i o nm o d e lu s i n gt h em a t h e m a t i cm o d e li sb u i l t t h i sw o r ki st h eb a s eo f t h ep va r r a ys i m u l a t o r t h i r d l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o na n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e g r o u n d i n g o nt h ec o n v e n t i o n a ls o l a ra r r a ys i m u l a t o r , c r e a t e st w o i m p r o v e m e n t sf o ri t , a n db u i l d sau e w m e t h o df o rt r a c k i n gt h ew o r k i n gp o i l l to ft h e l o a d t h i sm e t h o da v o i d su s i n gc o m p l i c a t e da r i t h m e t i c ，g i v e sa t t e n t i o nt ot h e p e r f o r m a n c ea n dc o s t ，a n ds h o w st h eo u m i d ee n v i r o n m e n tf a c t o r si n f l u e n c eo nt h e p v a r r a y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h es i m u l a t o r , t h eh a l fb r i d g ec o n v e r t e ri sb e s e l e c t e da st h et o p o l o g yo ft h em a i np o w e rc i r c u i t t h et h e m ea l s oa n a l y s e si t s w o r k i n gp r i n c i p l ei nd e t m la n di n t r o d u c e si t sh a r d w a r ed e s i g n b a s e do nt h et w o p o i n ti m p r o v e m e n t , d e s i g n saa e wc i r c u i tw h i c hc a ng ot h r o u 曲e v e r yp o i n tf r o m z e r ot ot h em a x i m u mo ft h es o l a rc e l lo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t u s i n gt h es a m p l e h o l da n dc o m p a r em o d u l es u p p o r t st h er e f e r e n c ep o i n to ft h ep o w e rc k c u i t t h e n , t h et h e m eg i v e st h ed e s i g no ff i l t e rc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i ta n dd c d cc o n v e r t e la t l a s ts m m l s i g n a lm o d e lo ft h ep o w e rc i r c u i th a sb e e nb u i l t , a n dd e s i g n si t sc o n t r o l l o o p a tl a s t ，t h et h e s i su s i n gap va r r a ys i m u l a t o rw h i c hi t so p e nc i r c u i tv o l t a g ei s 2 0 0 v , s h o r tc i r c u i tc u r r e n ti s7 aa n dm a x i m u mp o w e rp o i n to u t p u ti sl k wa c q u i r e s t h ev a l i d i t yo ft h e o r ya n a l y s i sa n ds h o w st h ed i f f e r e n ts t e a d yw o r k i n gp o i n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es i m u l a t o r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p v - a r r a y ss t e a d yp o i n t st a l l i e sw i t ht h es i m u l a t e di - vo u t p u tc u r v eo fs o l a ra r r a y a n ds i m u l a t e st h e i rd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o nw h e nt h el o a di sc h a n g e d k e y w o r d s ：p va r r a y ，s i m u l a t o r ，h a l fb r i d g e l l 浙江大学顾上学位论文 第1 章绪言 太阳能是地球上唯一外来的永不枯竭的能源，而能源与国民经济的发展有 着密切的关系，在当前化石能源己经不能满足日益增长的能源需求，在这种情 况下，太阳能等清洁能源的研究和应用得到了许多国家重视。但是因为太阳能 电池昂贵的价格，构成光伏阵列后庞大的体积使得很多科研院所，高校，企业 等在开展光伏系统研究方面存在困难。光伏阵列模拟器因为其成本低廉，可靠 性高，能够完整模拟太阳能电池输出特性，大大缩短了光伏系统的研究周期， 提高了研究效率和可信度。 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 太阳能的开发和利用背景 随着经济的增长和技术的进步，以及人1 2 1 的增加，对能源的需求量越来越 大，目前，世界上能源消费的增长率大约为人口增长率的三倍，石油，天然气， 煤炭等常规的能源已不能满足日益增长的需要，世界各国都感到化石能源的蕴 藏量正在日益减少，甚至有枯竭的可能。因此当前世界的能源问题已变得十分 的尖锐，在这种情况下，必须重视可再生能源的利用和发展，其中最突出的就 是太阳能的研究和应用。自从1 9 7 3 年世界能源危机以来，不少人相信太阳能将 成为主要的能源，随着科学技术的发展，太阳能的利用在某些方面已经显示出 了一定的经济性，因而成为了许多国家对太阳能研究的重视。美国能源研究和 开发署预计，到2 0 0 0 年太阳能将是美国一次能源总消费量的2 5 。太阳能之 所以受到人们的如此重视，是因为它具有很多的优点，太阳能是一种巨大的能 源，每天到达地地球上的太阳能辐射能量大约相当于2 5 万亿桶的石油。太阳 能可以再生，因而具备取自不尽，用之不竭的特点，在工业越来越发达而环境 越来越污染严重的今天，太阳能确实非常干净的能源，太阳能可以在当地取得， 大大节省了在使用矿物能源时所费的运输费用m ，3 一。 1 1 2 太阳能的应用和太阳能系统 在各种可再生能源中，太阳能是最基本的能源，生物能，风能，波浪能等 等都来自于太阳能。太阳能的利用主要有三个途径：光热转换，光电转换，光 一1 浙江人学顾1 ：学位论文 化学转换。 光热转换就是用太阳能集热器，换热器，热负载等构成的太阳能热系统把 太阳能收集起来，用收集到的热能为人类服务。最广泛应用的太阳能热应用就 是太阳能热水器，其他包括太阳能采暖，太阳炉等。 光化学转换就是将太阳能转化成化学能，再由化学能转换成电能或者其他 的能量。最大的应用就是植物通过光合作用将光能转化成化学能。 光电转换是太阳能利用中非常有发展前途的一种形式，是太阳能利用的重 要方向。目前，太阳能用于发电的途径主要有两个，一个是用过热发电，就是 先用聚热器把太阳能转换成热能，再通过汽轮机把热能转换成电能，而是光伏 发电，利用太阳能电池构成光伏阵列，将太阳能直接转变成电能，是太阳能发 电的主流方向。光伏电池应用主要存在的问题是价格昂贵，转换效率不高1 2 , 5 6 】。 1 1 3 我国的太阳能及光伏发电的现状 我国幅员辽阔，东西和南北跨度都在5 0 0 0 k m 以上，我国拥有丰富的太阳 能资源，尤其以西藏自治区的太阳能资源最为丰富，居世界第二位。在我国广 阔的土地上，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4 千瓦时以上，西藏日辐 射量最高达每平米7 千瓦时。我国2 3 以上地区的年日照大于2000 小时， 与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，我国太阳能 资源的理论储量达每年l7000 亿吨标准煤，表1 1 给出了我国的太阳能能 源的分布图。开发和利用太阳能对我国有着重大的意义，我国从九十年代就成 为了能源的进口国，进口比重逐年递增，经济的发展离不开能源，能源问题关 系到了我国的战略安全和国家的经济命脉。并且我国的经济能源和环境的问题 突出，大力发展可再生能源特别是太阳能能源成为了我国解决能源问题的出路 所在。我国广大的西部地区，地处高原，大部分地区日照充分，非常适合建造 太阳能光伏发电系统，因此近年来，我国相继推行”光明工程”、”送电到乡工程 ”，许多地方选择光伏发电技术，解决用电难问题。一块20 瓦的太阳能电池板 天光照可供3 个9 瓦节能灯5 个小时照明，采用太阳能发电是一种很有效的 能源补充形式。用太阳能在边远地区分散供电，既环保又经济，比延伸电网或 柴油发电有明显的优势。结合我国的国情，光伏产业在我国有着巨大的应用前 景。但是我国在太阳能资源开发的技术层面上还很落后。太阳能光伏发电的最 一2 一 浙辽大学颂j 。学位论文 基本元件是晶体硅，要从石英砂中提取99 99 纯度的晶体硅才能做成优质 的光伏组件，而国内的工艺技术难以达到这样的要求。由于目前国际上生产太 阳能光伏电池的原材料吃紧，虽然新能源研究所有不少订单，但是生产量无法 跟上要求。我国目前太阳电池和组件一年的生产水平仅仅相当于德国西门子公 司一个月的产量。由于缺乏技术，我国的太阳能产品元件大多需要进口，生产 成本很高。如一台能满足家庭日常电器需要的z0 0w 的光伏系统，市场价为 15 000 元。这样的高价位使太阳能的推广在我国具有很大的难度【4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 】。 表i - 1 中国太阳能资源分布图【7 】 1 2 光伏系统及光伏阵列的简介 1 2 1光伏系统 光伏系统，也叫太阳能电池发电系统，通常由太阳能电池构成的光伏阵列， 控制器，d c d c 变换器，逆变器，蓄电池组等组成，光伏系统一般分为独立运 行和并网发电系统两大类f l o , i t 。前者可以脱离电网运行，给独立用户供电，如 我国的西部某些地区采用的就是独立运行模式，但是必须采用相应的储能系统。 后者与电网相接接，产生的电能可以输入电网，按照并网的相数又可以分为单 一3 一 浙江大学硕士学位论文 相并网和三相并网。光伏系统构成框图构成如图1 1 所示i ”i 。 图1 - 1 ( a ) 光伏系统独立运行结构框图 1 2 2 光伏阵列 图1 - 1 ( b ) 光伏系统并网运行结构框图 光伏阵列是将太阳能转化成电能的装置，是光伏系统的重要组成部分，是 光伏系统中能量提供部分，如图1 2 所示。 它决定了光伏系统的发电量，合理选择光伏阵列的构成和配置，研究光伏 阵列的特性等成了光伏发电系统的重中之重。从理论上讲，光伏阵列是由若干 个太阳电池组件经过串，并联组成，发电量是这些电池发电量的组合。但是光 伏阵列的实际发电量却大大低于理论设计，内部原因就在于单块电池的连接引 起的阵列的组合效率损失，单块电池损坏造成的电压不均衡等，外界环境因素 则包括阵列的高度，倾角，电池的洁净程度等。而且阵列还受到了外界的日照， 温度，天气等诸多外界条件的变化，这一系列不确定的因素会影响到理论设计 的光伏阵列的实际输出。因此实际当中设计任何的光伏系统都只能在具体实践 中根据安装的实际条件来确定真正的发电量和系统的效率 9 1 。 一正一 浙江大学硕十学位论盅= 图1 - 2 实际中的光伏阵列 光伏阵列因为高成本，高不确定性，较大的占地面积等原因并不适合高校 等科研机构购买实际的光伏阵列进行光伏系统的研究。因此设计一个能完整模 拟构成光伏阵列的样品太阳能电池在各种环境下工作特性的模拟器，成为本课 题的研究重点。 1 3 本课题的研究内容和意义 1 3 1 本课题研究的意义 在研究一个带有大功率负载的光伏系统时，购买大功率的太阳能电池组成 光伏阵列是不现实，现阶段来说太阳能电池价格昂贵，l w 价格在3 0 元左右， 加上阵列安置，排列等所有费用，一个l k w 的光伏阵列大约耗资在4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 人民币，需要一笔很大的投资：并且大功率的光伏阵列占地较大，一个l k w 的 光伏阵列大约需要占地1 0 0 平方米，对于科研院所来说也是不现实的。由于自 然条件的不确定性，得到的数据也往往存在很大的随机性，不适合科学研究。 如果实验需要不同容量，电压等级的太阳能电池阵列，还必须改变阵列的连接 方式，即不方便也不经济，尤其是带有控制器的光伏系统，如m p p t ，c v t 等 系统更是难用传统的实验办法直观的检测控制方案的合理性 5 , 6 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 9 1 ，光伏 阵列模拟器能够克服自然条件的影响，相比较实际的光伏阵列更具有便捷性。 因此当被研究的光伏系统达到了数百瓦，数千瓦，或者更大的时候，太阳 能电池阵列模拟器就成为必不可少的研究设备。太阳能电池阵列模拟器可以模 拟任何光照及温度下，任意组合的太阳能电池阵列的特性，负载能力与系统性 能，使系统任何时候都可以在实验室重现他在不同室外条件下的性能和动态稳 态行为，实现对系统在线工作与在线调试的完全逼真的模拟和仿真，太阳能电 一 浙江人学硕1 学位论文 池阵列模拟器同样可以检验系统的配置是否合理，可以任意改变太阳能电池的 串并联数和配用量以优化最佳的配置方案，使系统的成本趋于最低【1 3 , 1 4 , 1 5 】。 总之，太阳能光伏阵列模拟器可以大大减少研发成本，解决光伏阵列占地问 题，缩短光伏系统的研究周期，提高研究效率和研究的可信度。 1 3 2 光伏阵列模拟器的简介j 5 , 6 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 1 9 却0 1 2 4 2 5 l 光伏阵列模拟器是利用实际电源来模拟实际光伏阵列输出特性，使实际电 路输出的特性与所模拟的太阳能电池阵列一致，并且用该电路能够代替实际阵 列进行试验。模拟器要求满足一下三个方面的要求，第一能够按照光伏阵列的 输出特性完成输出，当外电路的负载发生一定的时候，能够稳定在某个工作点 上。第二当外电路的负载发生变化的时候，能够尽快的变化到新的工作点并稳 定在该点。第三输出功率能够达到一定要求【5 】。 目前光伏阵列模拟器主要分为数字式和模拟式两种。 模拟式的太阳能电池阵列模拟器主要是利用可控的白炽灯模拟太阳能光强 的变化，样品电池的输出电压和电流模拟光强而变化，经放大后驱动功率器件， 使其输出跟随样品太阳能电池的电压和电流，己替代实际太阳能电池阵列进行光 伏系统的各项性能测试。模拟式的基本原理介绍如下，按照太阳能输出特性，输 出电流越大，输出电压就越低，把光伏阵列模拟器的输出电压经过线形降压后转 换为给定值，手动使样品太阳能电池的电压跟随模拟器输出电压的变化，然后把 样品太阳能电池的输出电流作为模拟器输出电流的给定值，以控制模拟器的输出 电流。该模拟器电路简洁，研发周期短，成本低，但是也有很多不足。 l ，样品太阳能电池在白炽灯的照射下，模拟器机箱内小范围的环境温度及 样品电池的p - n 结的结温变化强烈，这导致模拟器输出的i v 特性已经不是事 先所设定的环境条件下的特性。而且太阳能电池的开路电压和相应于最大功率 点的电压将随温度严重飘逸，这使模拟的精度受到很大的影响。 2 ，自炽灯的光谱特性与实际太阳能的光谱特性相差很大，用白炽灯模拟太 阳光使模拟器的输出特性与理想特性有一定的误差。 3 ，该模拟器无法很快的跟踪负载工作点，一旦负载发生变化模拟器无法尽 快地跟踪到最新的工作点。输出功率一般比较小，不能达到k w 级别的输出。 数字式太阳能电池阵列模拟器通过事前输入到单片机或者d s p 系统中的特 6 浙江大学硕i | 学位论文 性曲线数据，然后按照一定的算法逐渐找到负载工作点，然后控制模拟器按照控 制系统的给定输出相应的电压和电流。其主要由功率部分和数字控制电路两大部 分组成。功率电路包括整流隔离部分。输出电压电流检测装置实时检测电路的 输出电压电流，然后传给单片机，以便电源输出特性实时跟随负载变化。控制电 路部分主要由检测电路，单片机和p w m 驱动隔离电路构成，监测电路用来处理 电流电压检测信号包括隔离，滤波等，电压信号采自d c ，d c 变化电路的输出电压， 通过检测电路处理后反馈到单片机或者d s p 中去，电流信号采自输出电流，同样 经过检测电路处理后反馈到单片机中，通过单片机的闭环控制，保证输出电压电 流的稳定。单片机中存储有谋特定光强，环境温度下的太阳能电池阵列的输出特 性曲线，它通过输出信号搜索特性曲线得到对应的输出控制电压，然后计算出相 应的占空比，并输出p w m 波。单片机产生的控制信号通过驱动隔离电路成为直 流变换器中的功率开关管的驱动信号，使电源输出相应的直流电压，该电压与太 阳能电池阵列在相同条件下的电压等值，这样模拟电源就能输出一组拥有特定光 强和温度的太阳能电池阵列的特性曲线了。如果单片机的系统中存储了数条不同 环境温度条件下的特性曲线，当使用者输入不同条件时即可输出各条件下所模拟 的太阳能电池阵列的伏安特性。数字式模拟器本质上是单片机或者d s p 控制的开 关电源，不同于普通开关电源的就是，要求稳态工作点都运行在所模拟的特定太 阳能电池阵列的特性曲线上嘲。其优点是输出功率和准确性可以兼顾，选择特定 的开关电源可以做到k w 甚至1 0 k w 级别。缺点也是明显的，数字式一般电路复杂， 需要测量计算太阳能电池随温度，光照的曲线数据，并将其离散化录入到数字芯 片中去，寻找工作点的算法复杂，需要编写庞大的程序。数字式不能准确模拟各 个工作点，只能模拟曲线上的有的点，并且相比较实际光伏阵列，数字式模拟器 人力成本和电路成本都很高，不能满足设计模拟器的初衷一降低系统成本。 1 4 本课题国内外的研究现状5 , 6 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 9 , 2 啦! 芦, 2 4 2 5 】 光伏阵列模拟器在国内外已经有了一定的研究，为光伏系统的研制提供了 很好的试验平台。国外l o u 曲b o r o u g hu n i v e r s i t y 的shl l o y d 等人研制的应用 于m p p t 试验的光伏阵列模拟器。国内合肥工业大学完成的模拟式的光伏阵列 模拟器，以及西安交通大学研制的基于d c d c 变换器的模拟器，中科院电工 所，合肥工业大学，浙江大学等单位研制的基于单片机d s p 系统的模拟器。这 1 浙江大学硕1 ：学位论文 些模拟器均实现了对光伏阵列的良好模拟。 1 5 本论文各章安排及主要内容 通过研究以上的科研成果，发现现有的模拟器存在或者成本高，效果好； 或者效果差，成本低，没有做到对成本和效果的良好兼顾。本文在数字式模拟 器跟踪负载工作点算法的基础上，创新的提出了一种太阳能电池特性产生电路 和使用模拟电路跟随负载工作点的办法。该办法既实现相对数字式简单可靠， 避免了复杂的程序编写，成本降低，又相对模拟式可以把功率做到k w 级，效 果更好，兼顾了成本和效果。本文安排如下： 1 第一章简单介绍太阳能开发和利用以及我国的太阳能资源及光伏产业现 状，然后分析了光伏系统及光伏阵列的构成。同时对模拟式和数字式的光伏阵 列模拟器作了简单的分析和优缺点介绍。最后介绍了课题的研究意义，内容及 国内外现状。 2 第二章详细分析了太阳能电池的工作原理，建立了太阳能电池的物理模型。 提出了太阳能电池的等效电路模型，为之后的模拟器的搭建提供了基础。太阳 能电池的输出特性是本章研究的重点，详细介绍了输出特性及输出曲线在不同 外界条件影响下的变化。最后给出了光伏阵列的数学模型，并在此基础上给出 了基于m a r l a b 的仿真模型。 3 第三章详细介绍了光伏阵列模拟器的系统结构，随后介绍了数字式模拟器 跟随负载工作点的办法，在此基础上提出了一种新的光伏阵列模拟器跟踪负载 工作点的办法，并对新办法的正确性进行了证明。 4 第四章给出了光伏阵列模拟器详细的硬件设计。介绍了功率电路，控制电 路，太阳能特性产生电路，采样滤波电路，逻辑分析电路等各个部分详细的硬 件设计。 5 第五章介绍了控制电路的设计，首先建立了模拟器功率电路的数学模拟型， 然后在此基础上确定了补偿器的设计。 6 第六章给出了模拟器工作的各个波形图，并对其做出了介绍和分析。证明 模拟器可以满足要求。 7 最后总结了本文的研究工作，对未来的工作进行了展望。 一8 一 浙江人学顿j ：学位论文 第2 章太阳能电池的工作特性及其数学仿真模型 实现输出符合太阳能电池的工作特性是光伏阵列模拟器的目标。只有彻底 了解太阳能电池，才能设计满足要求的光伏阵列模拟器。本章详细分析了太阳 能电池的工作原理和等效电路模型及数学模型，着重介绍了太阳能电池的输出 特性以及外界因素变化对其的影响，并在数学模型基础上搭建了基于m a t l a b 的 仿真模型，为之后模拟器的仿真和设计奠定了基础。 2 1太阳能电池简介 太阳能电池单体是一种能够将太阳光中的辐射能量转换为电能的半导体装 置。它是由多个p n 结串联组成的，其转换效率一般为百分之十到百分之二十左 右。常规太阳电池大多由一个p 型底座及n 型薄层的p n 结所构成，并且在其背面 有一层平整的金属将这种光伏元件与负载连接 2 6 1 。太阳能电池单体是用于光电转 换的最小单位，输出电压很小，输出电流也很小，一股不能单独作为电源使用， 如图l ( a ) 所示。一般厂家需要将电池单体进行串并联并封装后，构成太阳能电池 组件，就可以构成单独作为电源使用的最小单位。单个太阳能电池组件的输出电 压一般在1 0 v 一2 0 v 之间，可以为蓄电池充电，应用在各个领域和系统中，如图1 ( b ) 所示。由于单个的光伏电池组件的输出功率有限，实际的大功率光伏系统中，需 要将电池用导线以串并联的形式连成阵列，来产生实际的功率，就构成了太阳能 电池的方阵，或者光伏阵列1 6 加，如图1 ( c ) 所示。 ( a ) 太阳能电池单体 ( b ) 单个太阳能电池组件( c ) 光伏阵列 图2 1太阳能电池 9 浙江人学硕十学位论文 2 2太阳能电池的工作原理 1 2 ，3 扫, 9 , 2 6 , 2 _ 7 】 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应。当硅晶体中掺入其他的杂 质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，因为硼原子周围 只有3 个电子，所以就会产生空穴，这个空穴因为没有电子而交得很不稳定，容 易吸收电子而中和，形成p ( p o s i t i v e ) 型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为 磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形a n ( n e g a t i v e ) 型半 导体。当p 型和n 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成 一个特殊的薄层，界面的p 型一侧带负电，n 型一侧带正电。这是由于p 型半导体 多空穴，n 型半导体多自由电子，出现了浓度差。n 区的电子会扩散到p 区，p 区 的空穴会扩散到n 区，一旦扩散就形成了一个由n 指向p 的“内电场”，从而阻止扩 散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是p n 结， 如图2 2 所示。 p n + 卜 图2 - 2p n 结原理图 光能转换成电能的过程如图2 3 所示。在光照下，半导体中的原子的价电子 受到激发，在n 型区和p 型区都产生空穴和价电子对，也称之为载流子，这样形 成的电子空穴对也参与热运动，在各个方向上迁移。由于p - n 结势垒的存在，就 可以把迁移到d n 结附近的电子空穴对分开。p 型区内的少数载流子电子被驱向n 型区，而n 型区内的空穴被驱向p 型区，结果在晶体的p 型区一侧有过剩的电子积 累，而在p 型区内有过剩的空穴积累。在p n 结附近形成于内建场方向相反的电 场。这个电场除了一部分抵消内建场以外，还使p 型区带正电，n 型区带负电， 在n 型区和p 型区之间的薄层产生电动势。 如果使太阳能电池开路，即负载电阻为无穷大，则被p - n 结分开的全部过剩 载流子就会积累在p - n 结附近，并以最大值补偿势垒。于是产生了等于开路电压 的最大光生电动势。 一1 0 一 浙江人学硕 学位论文 如果把太阳能电池短路，即负载为零，则所有再起寿命期内的可以达到p n 结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流，即短 路电流。这个时候，在p - n 结的附近不会有过剩的载流子的积累。太阳能电池的 光生电动势为零。 如果把太阳能电池接上负载，则被分开的过剩载流子中就有部分把能量消 耗在降低p n 结的势垒上，既用于建立工作电压，过剩的载流子则用来生产输出 电流。 图2 - 3 太阳能电池的原理图 2 3太阳能电池的等效电路模型 2 3 1 理想太阳能电池的等效电路模型1 2 6 9 l 电 流 理想的太阳能等效电路如图2 - 4 所示，由一个恒流源，一个二极管以及一个 负载胄并联而成。恒流源表示电池在受到光照后产生光电流丘的能力，通过p - n 结 的结电流，用二极管表示，这个等效电路的含义就是，在一定日照和温度下，太 阳能电池产生了一定的光电流i l ，其中一部分用来抵消结电流五，另外一部分用 来供给负载的如。其端电压v ，结电流五以及工作电流，都和负载的大小有关，但是 负载并不是唯一决定的因素。 如上所述，珀大小为 i - - - 一 + ) 五 5，i k p 图2 一理想的太阳能电池等效电路 浙江大学颂士学位论文 ( 2 一t ) 根据s h o c k l e y 的扩散理论，二极管的结电济珥可以表示为 监 2 l ( p ”一1 ) ( 2 2 ) 式中： e 一自然对数的底； g 一电子电荷( 1 6 x l o 。9 库仑) 巧一结电压； r 一绝对温度； t 一波尔兹曼常熟； l 一反向饱和电流 将式2 代入式1 可得： ，= l i o ( e ”一1 ) ( 2 3 ) 光电流密度以，光电流是除以光电池面积可表示为 以= q r l 。n ( 乞) 式中 g 一电子电荷( 1 6 x l o “9 库仑) 巩一收集效率： ( ) 一能量超过乓的光子流。 2 3 2实际太阳能电池的等效电路模型 实际的太阳能电池的等效电路如图2 5 所示。 一1 2 一 ( 2 - 4 ) 浙江大学硕士学位论文 i - 一 f 叱卜 ) 五 吩 5 i 图2 5 实际的太阳能电池的等效电路 这种电路中，考虑了太阳能电池片本身的电阻，这种电阻有如下的形式： 1 串联电阻丘 串联电阻包括电池栅极本身所具有的电阻值，扩散层横向电阻值，基 体材料电阻值，上下电机与基体材料的接触电阻。其中扩散层的横向电阻 值是串联电阻的主要形式。 2 并联电阻如 并联电阻包括p 一甩结内漏电阻，电池边缘漏电阻，以及p 型区和n 型 区各种导电膜或者脏物的电阻等。 e 和也相比，足为低阻值，一般为小于l q ，也为高阻值，一般为几千q 。 在考虑了两个电阻之后 式3 可以表示为 m 叫e 掣叫一半 亿， 式中 一工作电流 a 一曲线拟合常数 v 一端电压 2 4 太阳能电池的输出特性 太阳能电池的输出特性包括了，一v ( 电流电压) ，和p v ( 功率一电压) 等 特性曲线其中i - v 曲线提供了研究太阳能电池最重要的技术指标【6 】。单一条件 下的特性曲线可以分析特定条件下的负载和电池之间的相互作用，而不同条件下 的特性曲线则可以预见太阳能电池如何被环境条件影响 9 1 。 浙江入学硕i 学位论文 2 , 4 1 太阳能电池的伏安特性曲线 根据式2 ，忽略串联电阻和并联电阻的影响，在一定光照和温度的条件下， 可以得到端电压和电路中通过负载工作电流的关系图线，叫做太阳能电池的伏安 特性曲线，也叫，一矿曲线。如图2 6 所示的曲线就是太阳能电池的一矿特性曲线。 曲线在i 轴上的截距为短路电流k ，在v 轴上截距为开路电压。 i - y 特性曲线表明太阳能电池即非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载 提供任意大的功率。它是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围 内相当稳定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降为零【9 】。 j ，1 丘 - 、 、，! 、 ， 0 k 、五 iv 图2 - 6 太阳能电池的一矿特性曲线 l 开路电压 当i ；o 时可以得到最大电压，称开路电压p k 。开路电压就是将太阳能电池置 于标准光源的照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。根据式3 可得： ! 生 t l 0 ”一1 ) 2 0 ( 2 6 ) 上式两边取对数可得 吃：丝加r 拿一1 j g 。 ( 2 7 ) 在一定的光强下，l l ，因此式7 可以简化成 k 等弧g。 ( 2 - 8 ) 从上式可以看出，由于丘与入射光强成正比，因此吃也随入射光强的增加 而增大，与入射光的对数成正比，开路电压还和，o 的对数成反比，而l 与电池 一1 4 浙江夫学碘 学位论文 的基本材料的禁带带宽乓有关，乓越大，厶越小，则越大，一般太阳能电池 的开路电压，与电池面积的大小无关。在1 0 0 m w c m 2 的太阳光谱辐照度下，太 阳能电池的开路电压为4 5 0 - 6 0 0 m v ，最高可达至0 6 9 0 m v 。吆受温度的影响比较 复杂，温度除了直接影响外，也影响1 0 的大小a 综合这两种因素，比随着温 度的升高而降低，一般温度每上升1 摄氏度，约下降2 3 m v 。 2 短路电流 当u = d 时可以得到最大输出电流，称为短路电流。所谓的短路电流就是将 太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出短路时，流过太阳能电池两端的电流。 即： ! 生 l=lo(e”一1)=o(2-9) 因而 q ，i 。n ( e g ) = l l = i ( 2 1 0 ) 也就是说短路电流等于光生电流，与入射光强成正比。k 值与太阳能电池的 面积大小有关，面积越大，k 值越大。一般来说，1 c m 2 太阳能电池的l s g 值大约 为1 6 3 0 m a 。同一块太阳能电池，其i ；。值与入射光的辐照度成正比；当环境温度 升高时，k 值略有上升，一般温度每升高l 摄氏度，岛值约上升7 8 4 嘲。 4 输出功率，转换效率和填充因子1 2 1 太阻能电池的输出功率等于负载上的电压v 电流的i 的乘积，即 p = v ( 2 - 1 1 ) 太阳能电池的最大输出功率只与垂直入射到光电池表面的输入功率只和太 阳能面积爿之比，叫做太阳能电池的能量转换效率，简称转换效率。用百分数来 表示，通常写为 打：曼1 0 0 j 4 p 太阳能电池的最大功率可用下式来表示： 巴= l = ( f f ) 比k 1 5 一 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 浙江人掌颀1 。学位论文 式中称之为填充因子，显然，对于一定的开路电压和短路电流k 来说， 填充因子越接近于1 ，电池的效率越高，的值一般都在0 7 0 8 之间。因此粗略 计算，电池的最大的转换效率可以表示为 刁= 孚 或者 = 号如c - 和7 - 2 m l 。+ l j g(o 2 4 2日照因素对伏安特性曲线的影响2 j ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 日照因素对太阳能电池的伏安特性曲线有着显著的影响，仅仅改变日照强度 而其他的条件保持不变，可以得到一组曲线，图2 7 显示了开路电压和短路电流 随着光强变化而变化的关系曲线。根据式7 可以发现，短路电流与光强成正比， 而开路电压与光强的对数成正比，也就是说短路电流随着光强的变化而变化剧 烈，而开路电压变化比较缓慢。随着光强的变化，短路电流和开路电压不同，曲 线的位置也不同，但是每条曲线的形状大体一致。太阳能辐射强度越大，输出的 功率也越大。 图2 7 不同日照下的伏安特性曲线图 2 4 3温度因素对伏安特性曲线的影响0 2 太阳能电池对温度相当的敏感，当太阳能电池的本身温度发生变化的时候， 其伏安特性也会发生相应的变化，图2 8 表示了不同的温度条件下，其他的条件 不变，太阳能电池的伏安特性曲线的变化。由图可以看到，温度对于开路电压有 影响，对于硅光电池来说，温度每升高1 。c ，开路电压大约下降2 3 m v 。开路电 一1 6 一 浙大学硕上学位论文 压对温度的关系近似于线形的关系，太阳能电池具有负的温度系数。另外，随着 温度的升高，光谱相应曲线向着长波的方向移动，使短路电流随着温度的升高略 有增加。短路电流具有正的温度系数，温度每变化1 摄氏度，短路电流大约变化 万分之几。 m，mmml h 图2 8 不同温度条件下的伏安特性曲线 温度对工作电压和工作电流的影响与开路电压和短路电流的影响相当的 接近。综合温度对电压和电流的影响，太阳能电池的功率温度系数是负的，每升 高l 摄氏度，功率大约下降千分之几。 2 5太阳能电池的数学模型【2 8 ，2 9 , 3 0 1 太阳能电池的数学模型时太阳能电池模拟器的设计的基础，外部的温度和日 照等条件都能影响太阳能电池的输出，因此太阳能电池的数学模型的准确与否， 是设计模拟器的关键。 任意太阳辐射强度r ( 形m 2 ) 和环境温度( o c ) 条件下，太阳电池温度 z ( o c ) 为： = 瓦+ r ( 2 1 6 ) 其中，r 为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射：( d e g w - m - 2 ) 为太阳电 池模块的温度系数。 设参考条件下，l 为短路电流，吃为开路电压。l ，为最大功率点电流 和电压，则当光伏阵列电压为v ，其对应点电流为l ： f j = l ( 卜c i ( e 。：一1 ) ) ( 2 - 1 7 、 一1 7 浙江人学碳i ：学位论文 其中， 屹 c i = 0 - l 。| 1 0 e ( 十t c 2 = ( 圪g 1 ) l n ( 1 一l 1 ，) 考虑太阳辐射变化和温度影响时， v - d v ，= l ( 1 一c j ( e q 一1 ) ) + d ， ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) d l = a - r j r 一d t + r | r 呵一q i 鹫 ( 2 2 1 ) d 矿2 一d t 只。d 1 r 2 2 2 ) d t = 正一 ( 2 2 3 ) r 一、：太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为1k w m ，2 5 。c ； 口：在参考日照下，电流变化温度系数( a m p s 。c ) ； ：在参考日照下，电压变化温度系数( v 。c ) ； 足：光伏模块的串联电阻( q ) ，由下式决定 白2 警 b ( 2 - 2 4 ) r 2 若r 一2 薏c 叩一苦卜一十可，可 。：彩， 其中：材料带能，1 1 2 e v ( r 哇) ； l 町，一：参考条件下，光伏阵列最大功率点电压和电流； 。可，p 0 盯：参考条件下，光伏阵列短路电流和开路电压； ，k ，k ：参考条件下，光伏阵列开路电压和短路电流温度系数； m ：光伏阵列各模块的单元串联数； 一1 8 一 浙江人学硕j 学位论文 n ：光伏阵列模块的串联数； n ：光伏阵列模块的并联数； 7 ： 参考条件下，光伏电池温度，一般设定为2 5 摄氏度2 9 1 。 2 6太阳能电池的仿真模型及仿真结果2 8 , 2 9 , 3 0 捌3 2 3 3 3 4 l 在太阳能电池的数学模型的基础上，利用m a t l a b s i m u l i n k 平台就可以建立起 仿真模型。为之后的模拟器的搭建建立起基础，仿真模型外观图如图2 9 所示，r ， r ，矿分别是太阳能电池的温度，日照强度，工作电压，是太阳能电池或者光 伏阵列的输出电流。通过用户设置界面设置各种参数，比如，足， 圪，l 。用户只要点击图2 9 就可以方便的设置这些参数，从而构成不同的 光伏阵列模型，界面如图2 1 0 所示。通过该仿真模型就可以利用m a t l a b 绘制出太 阳能电池以及光伏阵列的伏安特性图线，就可以分析电池的输出电压，电流，功 率与光强，温度的关系，图2 1 l 到图2 一1 3 就是仿真模型给出的太阳能电池在不同 的温度和光照条件下的i v 特性曲线图。本文参照保定天威公司生产的2 0 w 太阳 能电池的参数来进行仿真。开路电压吃) ： 2 1 ；最佳工作电压( v ) ： 1 6 6 ；短路电流k ( a ) ：0 2 7 ；最佳工作电流l ( a ) ：0 2 4 ；外型尺寸： 2 1 6 x 3 0 6 x 1 8 ( m m ) 。 通过仿真波形可以发现，太阳能电池具有明显的非线性，即包含电压源的特 性；也包含了电流源的特性；光伏电池的输出电压和电流随着温度，日照的变化 而变化。仿真的波形图证实了模型的正确性，为以后的模拟器的设计奠定了基础。 i g l 2 - 9 光伏阵列仿真模型的封装图 图2 1 0 用户设置参数界面 一1 9 一 浙江人学硕十学位论文 图2 1 1 太阳能电池的m a t l a b 仿真模型 图2 1 2 不同温度下的太阳能电池的l 一卅寺性仿真波形图 1 5 2 1 3 不同日照条件下的太阳能电池的l v 特性仿真波形图 2 7本章小结 本章首先从物理角度分析了太阳能电池的工作原理，紧接着给出了太阳能 电池的理想和实际电路模型，接着详细介绍了太阳能电池的输出特性，并介绍 了各种外界因素对太阳能电池的影响。最后在此基础上详细推导了太阳能的数 学模型，在数学模型的基础上建立基于m a t l a b 的仿真模型，并给出了仿真波形 图。 一2 0 浙江大学硕j ：学位论文 第3 章光伏阵列模拟器的系统结构及其工作原理 传统的光伏阵列模拟器跟踪负载工作点需要复杂的算法，依靠数字芯片编 写程序并将光伏阵列输出曲线离散化后得到的数据输入存储芯片后才能实现， 实现复杂，成本过高，而且不能实时反映外界因素对光伏阵列的影响。本章首 先介绍了模拟器的系统结构，然后在传统跟踪工作点办法的基础上着重介绍了 一种新的光伏阵列模拟器工作点的确定办法，该办法不需要编写复杂程序，简 单可靠，并能实时反映外界因素对光伏阵列的影响；最后介绍了各个部分的工 作原理。如何快速而又准确的得到工作点是保证模拟器稳定可靠运行的基本条 件，对于模拟器的设计是至关重要的，本章为模拟器的设计提供了理论基础。 3 1 光伏阵列模拟器的系统结构 光伏阵列模拟器的目的是