（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网系统的最大功率点跟踪控制器的设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a sac l e 舭姗e w a b l e 朗e r g ys o u r c e t h ep h o t o v o l 衄i cg e n 训o p o w e rh 私b e 髓w i d e l y 叩p l i e dj nt h e w o r i d eo f 礁m i l l g i h ep h o t o v 0 1 t a i c 鲥d c o 曲e c t e dw h i c hi san e wm e 也o dt og e 雎r a t ep o w e rf 研t h e 鲥di sb e i n gf o c l l s e do nm o 他锄dm o r e i nt h ef i i t i l 托 t h ep h o t o v o n a i c 鲥d c o 蛐e c t e dp o w e rg e n 啪矗o n w i l lb ew e l ld e v e l o p e d 锄da p p l i e d s o i ti ss i g n 墒c 觚tt os n l d y 血ew o r l i l 培p r i c i p k 柚do u t p n tc l e c 埘c c h 扰i c t e 一蛳c s 锄d h o wt oi l p r o v cl h eo u t p u tp o w e ro f 血ep h o t o v o 蜥cc e l l 1 1 1 i sp a p e ri se m p h 越i z i n g t w os i d e s ei st h ew o r l i n gp r i n c i p l ea n dt l l en l c 砸c 锄a l y s i s f e l a t i o 髓lm e 弱u r eo f t l l ep h o l o v o l 协i cc e l l 矗街 啦e ri st h es i 玎l u l a l j o n 翮dd e s i g na b o u th o wt oc a 碍o u t 也e m a x 皿u mp a w e rp 0 砬n 私k i n g t h e f h a 球锄db a r d w a 腭n a t t h ec o t e n tc a nb ed i v i d c di n t os j c h a p t e 塔i l ld e t a i l c h a p t e r ei i l 仃d d u c 船也i st o p i c 咒 a r c h sb k 8 r o 岫d 缸dp r a c c i c a is i 印i 丘c 锄 i n 缸硼u c e s p h o t o v o l 诅i cc e l l sd e v e i o p m e n 协ls 觚s 锄do u t p u t 缸d e t a i l 枷r o d u c 豁c c r 眦e l yt h ep h a c o v o l 乜i c g e 枷 p o w e r sc l l a m o 锄s t i c sw h i c hm a k ead i 成啪c eo fp o w e rg 锄e r a t i 璐j n go t h 盯瑚e w a b l e e n e r 科s o i 矾髂 缸a l l y p r o p o s 豁t h em a i nc o 曲m to f t h i sp a p 盯 c h a p t e rt w o 缸a l y s 髂p h o t o v o n a j cc e l l sw o 出i n gp 血c i p l ei nt h e o e d u c e sp h o t o v o l t a i cc e n s e q u i v a l e n tc i r c u 屯s 缸l d i e s 越d 锄a l y 辩sp h o t o v o l 协i cc e i l so 唧u tc h a r 孔t e 出 c 1 0 a dc h 繇l c t e r i s t i c 锄d e 伍c i c yl l s i n g 也ee q u i v a j e mc n u 也i n 仃砸u c e s 山em e i l l o d sh o wt 0m e a s u r ep h o t 0 v o l 协i cc e l l so u l p u t c h 缸a 曲o r i s t i c 锄ds e r i e s w o u n dr 髂i 蚰吒血a l l y t h em a lp h o t 0 v o h a j cc e l l so 唧u tc h 甜a c 饽i i 娟ca n d r i e s w o t l l l dm s i s t o ri sm e 雒u r e dl l s i i l g 血em e 血o d s c h a p t e r l r e e 妯廿0 d u c e sd c d cc o n v e r c 盯 sb 雏i ct o p o l o g 硫a n dn l e j rs 哦l d yw o r k 岵c h 础i c t e r i s t i c s n s s e s r s 般h i n g m e 也o dh o w t om o d e lc 加v e r e r 嵋i i l gt h ea v 啪g es w i 劬m o d e la n dp u l w i d t h m o 血l a t i o n sm t hm o d e lp r o p o s e st h ec o n v e r t e r si m p e d a n c es i m u l a t 伽 c h a t e i 出虹c m o d e l s 觚d 柚a l y s e sl b em p p ts y s t e m c h a p t e rf b i i rs 仃e s s e so nr e s e a r c h i n go np h o t o v o i 缸i cc e l i s 即g i n e 晌gm 甜im o d e la n dm o d e l s l 量皓 s o f t w 种 sm a 扭l b o i c a d r e s e a r c h e s 血ec o 的1 1 吨p 血c i p l e d e f c c t s 柏d 硎ba b o u t 血em p p t a l g o r i t h l m 鲫c h 越p e n l i r b o b s e r v ca l g o 血h m 柚di l l c 陀m 岫lc o n 血c t a n c ea l g o r i t h i n 恤a l l y 也e c h a n g e a b ks 钯p 曲c r 锄e n t a lc o n d u c 劬 a 星 0 f i t l l m 锄d 如z 巧c o 的ia l g 耐m mi ss i m u l 抛d 姐l h e 矗w a sm a l l 曲 c h a p t 盯6 v ed e s i g 璐t h em p p tc o n n d l l 盯 sh a r d w a 豫j n c l u d i n gl h ec 蚰打o u i n gm o d u km a d eu po f d s p1 m s 3 2 0 f 2 4 0 柚dc p l d l 矾x 9 5 1 0 8 n d 如c o l l e c 衄gm o 血l em a d eu po fh n c 2 5 s y h n v 0 2 5 a 觚da d 7 5 0 6 n l em a i nc i f c u n 璐h 培i g b tc t 6 0 a m 2 0 f 雒d 鲥v j n gc h i pm 5 7 9 6 2 a l 瓠d t 量i 阻 c h s 铭t h ep a m m e t e 培o ft h ea 鲒 咖tp a 凼i nt h em a i nc i 咖n 如ds i m u t a 把st h e 唧p to nm ep a r t l e v e lb y 也e 胁撇 s0 正a d 血a u y c o m p l 讧h l h et e s l c h a p t 盯s i 洲衄m 觚i z i h e a r c hw o r i o ft h em p p tc 0 疵r o l l e 锄dl o o i sf b 刑a r dt o 山ef i l m l e r r c s e a r c hd h 它c 6 0 几 k e y w 咖s p h 咖o l 僦cc e l l g r i d 咖衄e c t e d d 饥 cc o n v e n e 俗 a v e m g es w i t c hm o d e l m a i i n 啪 p o w e r p o i h t 仃a c k i i l g n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获碍东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 签名 惮日期叫 巧 关于学位论文使用授权的说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可 以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生 院办理 签名朝q 勿如导师签名五f 这芳日期 2 7 7 谚 i f 7 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论 人类社会已迸入2 l 世纪 在新千年开始之际 人们正面i 洛着一系列重大的挑战 全球经济发展 人口迅速增加 需要提供更多的食物 住房和原料 因而对能源的需求量也不断增加 在过去2 0 年 中 全世界能源消耗量增加了4 0 作为2 0 世纪的世界能源结构中的主要能源部分一石油 天然气 煤炭等不可再生能源已经不能够满足人类的能源需求 能源危机已展现在人类面前 一方面从能源 的可利用量来看 在2 l 世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示 石油可采量为3 9 9 年 天 然气可采量为6 1 年 煤炭可采量为2 2 7 年 可见化石能源的可采量已经是屈指可数了 1 而作为高速 发展的发展中国家 中国的能源资源储量更是危机逼人 按2 0 0 0 年底的统计 探明经济可开发能源 总储量占世界总量的1 0 1 我国能源剩余可开采总储量的结构为 原煤5 8 8 原油占3 4 天然 气占1 3 水资源占3 6 5 这些剩余总量的保证程度仅为1 2 9 7 年 我国各种一次能源的探明剩 余储量 按储 采比表示 与世界的相比较 除了太阳能以外 我国各种一次能源资源均低于世界平 均水平 我国能源的需求的缺乏将严重制约我国国民经济的发展 另一方面从环境角度来看 伴随 大量使用矿物燃料造成的地球生态环境的破坏越来越严重 这些矿物燃料燃烧时要产生大量温室气 体 全球单是c 0 2 排放量每年就超过5 0 0 亿吨 2 1 而且还在不断扩大 形成的酸雨造成土壤退化 危害 动植物 全球气候变暖 在过去的1 0 睥中 气候变暖造成了全球平均气温上升了o 3 埘 6 全球海 平面平均上升了l o 2 5 c m 人们预计 如果不对温室气体采取减排措施 从2 l 世纪初起 全球平均 气温每l o 年将升高o 2 到2 1 0 0 年全球平均气温将升高1 3 5 而我国的能源开发利用对于环境造 成的污染同样非常严重 我国是世界上少数几个能源结构以煤炭为主的国家 也是世界上最大的煤 炭消费国 煤炭燃烧所产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6 1 比燃油高3 6 1 9 9 9 年中国排放c 0 2 居世界第二位 2 0 0 0 年我国排放s 如居世界第一位 甲烷 氧化亚氮等温室气体的排 放量也居世界前列 2 0 0 0 年大量的s o 和酸雨造成的经济损失约占中国g d p 的2 1 所以 为了减少 大气污染 保护人类生态环境 保证能源的长期稳定供应 必须实施可持续发展战略 逐步改变现 有的能源结构 大力开发利用新能源 这已成为各国的共识 从我国目前能源生产及能源消费的实 际状况出发 发展新能源及高效节能的技术及产品是保证我国可持续发展的重要举措 因此 大力发 展新能源和可再生能源是我国未来的能源发展战略要求 2 0 0 5 年2 月2 8 日 第十届全国人代表大会 常务委员会第十四次会议通过了 中华人民共和国可再生能源法 于2 0 0 6 年1 月1 日起正式实施 在新能源中 太阳能作为一种分布最为广泛 可自由利用 可长期依赖的能源形式 被公认技术含 量最高 最有发展前途的可再生能源利用 而其中太阳能发电可具体分为太阳能光发电 又称光伏 发电 和太阳能热发电两大类 1 2 光伏发电现状及特点 太阳能的转换形式主要有光一热转换 光一电转换和光一化学转换等三种形式 其中 光伏发电 是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式 所以 我们有必要对国内外的光伏发电的现状 和发展做一大概的研究 并筒述光伏发电区别于其他形式发电的特点 1 2 1 光伏电池的现状及发展1 2 剐 光伏发电是直接将太阳能为电能的一种形式 其中光伏电池作为光伏发电的能源来源的根本的 发展是至关重要的 目前太阳能电池的种类不断增多 应用范围日益广阔 市场规模逐步扩大 目 前广泛应用的光伏电池有三种 单晶硅 多晶硅 非晶硅 世界光伏组件在过去1 5 年平均增长率约 1 5 2 0 世纪9 0 年代后期 发展更加迅速 1 9 9 9 年光伏组件生产达到2 0 0 兆瓦 商品化电池效率从 1 0 1 3 提高到1 3 9 1 5 生产规模从l 5 兆瓦 年发展到5 之5 兆瓦 年 并正在向5 0 兆瓦甚至1 0 0 兆 东南大学硕士学位论文 瓦扩大 光伏组件的生产成本降到3 美元 瓦以下 近几年 全世界太阳能电池的生产量平均每年增长 近4 0 2 0 0 4 年全世界生产总量更达1 0 0 0 兆瓦 发展中国家印度处于领先地位 目前有5 0 多家公司从事 与光伏发电技术有关的制造业 其中有6 个太阳电池制造厂和1 2 个组件生产厂 年生产组件 兆瓦 累 计装机容量约4 0 兆瓦 本世纪以来 一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能 源计划 太阳能电池的研究和生产在欧洲 美洲 亚洲已经大规模铺开 美国和日本为争夺世界光 伏市场的霸主地位 争相出台太阳能技术的研究开发计划 如到2 0 l o 年 美国计划累积安装4 6 0 0 兆瓦 含百万屋顶计划 如表l 所示 日本计划累计安装5 0 0 0 兆瓦 n e d o 日本新阳光计划 最近的光 伏行业调查表明 到2 0 l o 年 光伏产业的年发展速度将保持在3 0 以上 年销售额将从2 0 0 4 年的7 0 亿 美金增加到2 0 l o 年的3 0 0 亿美金 许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利 表l 美国百万太阳能屋顶计划实施方案 我国太阳电池的研究始于1 9 5 8 年 1 9 5 9 年研制成功第1 个有实用价值的太阳电池 1 9 7 1 年3 月首次 成功地应用于我国第2 颗卫星上 1 9 7 3 年太阳电池开始在地面应用 1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳电池 中国的光伏产业的发展有2 次跳跃 第一次是在上世纪8 0 年代末 我国的改革开放正处于蓬勃发展时 期 国内先后引进了多条太阳电池生产线 使我国的太阳电池生产能力由原来的3 个小厂的几百千瓦 一下子上升到6 个厂的4 5 兆瓦 引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府 地方政 府 国家工业部委和国家大型企业 第二次光伏产业的大发展在2 0 0 0 年以后 主要是受到国际大环境 的影响 国际项目 政府项目的启动和市场的拉动 2 0 0 2 年由国家发改委负责实施的 光明工程 送 电到乡和即将实旅的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术 由于我国西部人口密度小 居住分 散 同时又拥有丰富的太阳能资源 太阳能光伏发电是一种既廉价又清洁的能源选择 近2 0 年来 我 国光伏产业的发展已初具规模 但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距 表现为 l 生产规模 小 我国太阳电池制造厂的生产能力约为0 扣l 兆瓦 年 比国外生产规模低一个多数量级 2 技术 水平较低 电池效率 封装水平同国外存在一定差距 3 专用原材料国产化经过 八五 攻关取得一 定成果 但性能有待进一步改进 部分材料仍采用进口产品 4 成本高 目前我国电池组件成本约3 0 元 瓦 平均售价4 2 元 瓦 成本和售价都高于国外产品 5 市场培育和发展迟缓 缺乏市场培育和开 拓的支持政策 措施 目前国内的主要太阳电池生产厂家主要有 1 无锡尚德太阳能电力有限公司 主要生产电池 组件 年生产量为5 0 兆瓦 2 云南半导体器件厂 主要生产单晶硅电池 年生产量为2 兆瓦 3 保定应利太阳能组件厂 主要生产多晶电池 组件 年生产量为6 兆瓦 4 上海交大国飞太阳 能电池厂 主要生产组件 年生产量为1 兆瓦 5 上海光伏科技有限公司 主要生产组件 年产量5 兆 瓦 1 2 2 光伏发电的特点 目前实际应用的太阳电池是一种半导体器件 受到太阳光照时能产生光伏效应 将太阳光能转 变成直流电能 在使用时要将太阳电池封装成组件 然后根据需要将组件串并联组成方阵 通常需 要用蓄电池等作为储能装置 才能随时供给负载使用 如果是交流负载 则还需要通过逆变器将直 流电变成交流电 整个光伏系统还要配备控制器等附件 光伏发电具有很多独特的优点 1 太阳能取之不尽 用之不竭 照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6 0 0 0 倍 只要在美国 阳光丰富的西南部沙漠地区 建立一个面积为1 0 0 埘f j e x i j e 的巨型光伏电站 所发电力可以满足 全美国的用电需要 太阳能发电安全可靠 不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击 2 太阳能随处可得 可就近供电 不必长距离输送 因而避免了输电线路等电能损失 2 第一章绪论 3 太阳能不用燃料 运行成本很小 4 太阳能发电没有运动部件 不易损坏 维护简单 5 太阳能发电不产生任何废弃物 没有污染 噪声等公害 对环境无不良影响 是理想的清洁能源 安装l k w 光伏发电系统 每年可少排放c 0 2 6 0 0 2 3 0 0 k g n o 1 6 k g s o x 9 k g 及其他微粒o 6 l c g 一个 4 k w 的屋顶家用光伏系统 可以满足普通美国家庭用电需要 每年少排放的c 0 2 数量 相当于一 辆家庭轿车每年的排放量 6 太阳能发电系统建设周期短 由于是模块化安装 不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦 大 到数十兆瓦的光伏电站 而且可以根据负荷的增减 任意添加或减少太阳电池容量 既方便灵活 又避免了浪费 太阳能发电的缺点是 1 地面应用时有甸歇性 发电量与气候条件有关 在晚上或阴雨天就不能发电或很少发电 与负荷 用电需要常常不相符合 因此 通常要配备储能装置 2 能量密度较低 在标准测试条件下 地面上接收到的太阳辐射强度为l o o o w m 2 大规模使用时 需要占有较大面积 由于各地太阳辐射强度不同 所以在应用时要经过较复杂的设计计算 3 目前价格仍较贵 为常规发电的2 5 倍 初始投资高 影响了其大量推广应用 1 3 本课题的研究内容与意义 太阳能的利用已经取得了长足的发展 但是 作为并网的光伏发电仍然存在着一些问题亟待研 究解决 如光伏阵列发电效率低 系统造价成本高 发电运行受气候环境因素影响大 制造单晶硅 和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源的问题 而其中光伏阵列发电效率低是直接造成其他三方 面的原因 所以 我们有必要对光伏阵列发电效率低进行深入的分析和研究 光伏阵列作为光伏发电系统的最基本元件 从材料上主要分为 单晶硅 多晶硅 非晶硅和薄 膜光伏电池等 其中光伏发电效率是指受光照的光伏电池所产生的最大输出电功率与入射到该电池 受光几何面积上全部光辐射功率的百分比 一般来讲 晶体硅光伏电池的效率为1 0 一1 5 左右 非 晶体光伏电池为5 一8 左右 薄膜光伏电池目前的转化效率仅为2 o 左右 由于光电转换效率太 低 从而使光伏发电功率密度低 难以形成高功率发电系统 并且由于对光电转化管理不利 真正 太阳能的利用率只有5 0 订o 目前 科学家们正在加紧研究 希望能大幅度提高光伏发电转换率 主要研究工作包括 l 在硅体里面增加其他元素 提高价能位置 从而形成更大的p n 结的空间电荷区 得到更大 的输出电压 2 增加受光面的折射度 让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射 以最大程度地将光子 能量转换为电子能量 3 寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料 以获得更大的光电转换效率 以上三个方面的研究都是从光伏阵列本身的材料特性和物理特性进行解决 而利用光伏阵列进 行并网发电 由于光伏阵列的在可变日照和可变环境温度下呈现与传统电源不一样的输出特性 决 定了其存在一个最大的效率转换点 所以 本课题有必要从光伏阵列的使用方面来研究如何提高其 效率的转换 本课题的具体研究内容包括以下三个方面 l 从物理意义上详细研究分析太阳能电池的发电机理 通过理论分析和实验测试相结合的方法 建立太阳能电池模型 分析其输出伏安特性 2 对d c 巾c 变换器的如何进行动态建模作了了解和分析 并应用其理论来对光伏发电系统的主 电路进行建模 3 从实际应用的角度出发 结合太阳能电池的工作原理和特性 提出一种符合实际应用的控制 方式 对太阳能电池的工作状态进行了优化 实现最大功率跟踪点 以达到效率转换的提高 并对 主电路 控制电路 驱动电路进行了设计和分析 3 东南大学硕士学位论文 第二章光伏电池特性的研究与测量 光伏发电的应用首先需要解决的是怎样将太阳能转换为电能 而作为光伏阵列的最基本组成部 分的光伏电池是利用半导体的光伏效应制成 它是一种能将太阳辐射能直接转换为电能的转换器件 这些光伏屯池经过若干个的封装成光伏电池组件 再根据光伏发电功率的需要将若干个组件组合成 一定功率的光伏阵列 光伏阵列与储能 测量 控制等装置相配套 从而构成整个光伏发电系统 其具体结构图如2 1 所以对光伏电池的基本物理结构和工作原理的研究是如何更好地利用好光 伏电池的发电的最根本的基础 为此 本章重点讨论了光伏电池的工作原理及其特性的测量方法 图2 1 光伏发电系统图 2 1 光伏电池的工作原理 光伏电池是以半导体p n 结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础 直接将光能转换成电能 的能量转换器件 其工作原理 1 是 当太阳光照射到半导体表面 半导体内部的n 区和p 区中原子 的价电子受到太阳光子的冲击 通过光辐射获取超过禁带宽度e g 的能量 脱离共价键的束缚从价带 激发到导带 由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子一空穴对 这些被光激发的电 子和空穴 或自由碰撞 或在半导体中复合恢复到平衡状态 其中复合过程对外不呈现导电作用 属于光伏电池能量自动损耗部分 一般希望有更多的光激发载流子中的少数载流子能运动到p n 结 区 通过p n 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域 对外形成与p n 结势垒电场方向相反 的光生电场 一旦接通外电路 即可有电能输出 当把众多光伏电池单元通过串并联的方式组合在 一起 构成光伏电池组件 便可以在太阳能的作用下输出功率满足特定场合需求的电能 图2 2 说 明了光伏电池形成电流的过程 由于靠近p n 结的光生少数载流子 在p n 结的漂移下 n 区的电 子留在n 区 空穴流向p 区 p 区的空穴留在p 区 电子流向n 区 从而构成了光生电场 如果 从外电路看 可以看出 p 区为正 n 区为负 一旦接通负载 n 区的电子通过外电路负载流向p 区 形成电子流 电子进入p 区后与空穴复合 变回成中性 直到另一个光子再次分离出电子一空穴对为 止 按约定电流的方向与正电荷的流向相同 与负电荷的流向相反 所以 电流是从p 区流出 通 过负载而从n 区流回电池 光 状i 2 塞芙 状j 占 图2 2 光伏电池的基本工作原理示意图 4 咽帼 护 屠 第二章光伏电池特性的研究与测量 2 2 光伏电池的电特性 2 2 1 等效电路 7 鼬1 0 i 经过以上对光伏电池的工作原理的了解和研究 可以得出光伏电池外在电气特性 如图2 3 为 光伏电池的实际等效电路图 厶 足l i 一 i j 5 f 巍 厶丑 彳 j l 图2 3 光伏电池的等效电路图 其中 为光生电流 它正比于光伏电池的面积和入射光的辐射强度 一般情况下它的光生电流 可以由下式来算 神 其中 为光子个数 4 为硅电池的表面面积 所以可以大约计算出硅电 池的电漉密度为易 珏肠 l 6 l o x 4 4 x l o 7 0 m d 锄2 当然实际上面硅电池最多能转换的教率 为4 4m 4 c 矿 平均为1 6 q o 月 当环境温度的升高 光生电流也会略有上升 一般来讲温度每升 高l 上升7 8 脚 如为暗电流 无光照下的硅型光伏电池的基本行为特性就类似于一个普通二极 管 所以暗电流实际上指的是光伏电池在无光照时 由外电压作用p n 结内流过的单向电流 它的大 小反映出在当前环境温度下 光伏电池p n 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况 丘为光伏电池 输出的负载电流 配 为电池的开路电压 它是把光伏电池置于一定强度的光源照射下 且光伏电池 输出两端开路时所测得的输出电压值 硅电池所能产生的输出电压可以大约计算出一个最大值 可 以根据静电场理论 我们知道一个电子经过内部电场的做功产生能量口矿不能超过半导体的平衡能 量 该能量为禁带能量l 所以最大输出电压可以用下列表达式来说明 气e g 所以 单晶硅 光伏电泡的开路电压一般为5 0 0 y 左右 最高可达9 0 0 k 开路电压不仅与入射光辐照度得对数成 正比 而且还与环境温度成反比 但是与电池面积的大小无关 通常情况下温度每上升l 开路 电压约下降2 q n 该值可以通过用高内阻的直流毫伏计测量 民为电池外接的负载电阻 焉为串 联电阻一般小于1q 它主要由电池的体电阻 表面电阻 电极导体电阻 电极与硅表面间接触电 阻和金属导体电阻等组成的 r n 为并联电阻 它一般由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电 流所对应的p n 结漏泄电阻和电池边缘的漏电阻组成的 足和是 都是光伏电池本身固有的电阻 相 当于光伏电池的内阻 通过上述对各个变量的定义和概述 可得出光伏电池等效电路中各变量的方 程式如下 驴厶 哪警一t 小 护 吐 唧 等型一1 瓷 l 蜀 r 一2 5 1 0 0 5 2 2 2 3 ll巩i i 一 东南大学硕士学位论文 其中 厶为光伏电池内部等效二极管的p n 结反向饱和电流 它与该电池材料自身性能有关 反映了 光伏电池对光生载流子最大的复合能力 它 般是常数 不会受到光照强度的影响 但是它与环境 温度有着函数表示式 h 阿唧降陆一划 c z 驴3 0 l 1 8 k 为参考温度 为光伏电池标准条件下的暗饱和电流 如为标准条件下2 5 1 0 0 2 下的短路电流 可以用内阻小于in 的电流表接到光伏电池的 两端进行测量 蜀是短路电流的温度系数 拜 五分别是环境温度和光照强度 为等效二极管的端 电压 q 为电子电荷 1 6 1 0 c k 为波尔滋曼常量 1 3 8 l o 1 9 p 矿 k 伪绝对温度 a 为p n 结的 曲线常数 而对光伏电池的内阻 我们知道任何电源都会呈现内阻 而电阻函数形式大概分为下面 四类 1 l 常数型冠 耐 2 5 线性型足 r 1 口n 2 6 负温度系数型r 正温度系数型足 2 7 2 8 而经过理论的推导和实验的证明 光伏电池电阻形式为正温度系数型电阻 但是具体的温度系数 的构成形式可能是一个多项式的 由线性和非线性函数构成的 其函数表示式如下 足 等h 降k c z 舢 通过对式 2 1 一 2 6 的研究我们可以得出以下结论 温度的升高改善了载流子的扩散长度 以及长波的光谱响应 使得短路电流厶呈现正的温度系数 但它随温度的变化率很小 而它主要受 光照强度的影响比较大 具体可以看图2 4 所示 而开路电压c k 和温度之间的近似线性的关系 且 c k 呈负温度系数 温度升高l k 下降2 矿左右 但是受光照强度的影响不大 具体可以看图 2 5 所示 l l o k r 脚 一 l r 詹 一l m 肼 扫l m 庙 一 0 獬目 环埴量度 魔 图2 4 在不同日照强度 环境温度下的短路电流图2 5 在不同日照强度 环境温度下的开路电压 6 第二章光伏电池特性的研究与测量 2 2 2 光伏电池伏安特性1 9 1 0 通过根据式 2 一1 2 4 可以通过利用m a t l a b 图形处理得到光伏电池输出特性 由于单块光伏 电池输出功率 电压 电流过小 不能明显显示输出特性曲线 为此 通过串并联多块光伏电池形 成光伏电池模块的输出特性如图2 4 所示 其中图 a 图 b 图 c 分别表示的光伏电池模块 的v i 曲线 p i 曲线 p v 曲线 a 光伏电池的y i 特性 b 光伏电池的p i 特性 c 光伏电池的p v 特性曲线 图2 6 不同光照 不同环境温度下的光伏电池输出特性曲线 图中的i i i i i v v 分别是光照强度为1 0 0 肼 佣2 8 0 肼 a 1 2 6 0 研 c 册2 4 0 m 矽 册2 2 0 m c 1 2 而直线表示的是环境温度为2 7 的输出特性曲线 虚线表示的是环境温度为6 0 的输 出特性曲线 从图 a 可以看出 光伏电池在不同的光照强度 环境温度下有不同的伏安特性曲线 且该伏安 特性曲线是非线性 区别于传统的直流电压源和直流电流源 从图 c 可以看出 光伏电池在不同的光照强度 环境温度下有不同功率输出 即使在同一光照 强度 环境温度下 其也存在一个功率最大点 所以 有必要研究光伏电池最佳的工作状态 7 东南大学硕士学位论文 2 2 3 光伏电池效率分析怫1 川 图2 7 功率分配图 从图2 7 的功率分配图可以看出 影响光伏电池效率的因素非常多 总体来说在整个光电转换过 程中影响光伏电池效率的损耗可归纳为以下部分 l 不同波长的太阳光其穿透力不同 只有进入到电池材料内部 且能量大于禁带宽度e g 的光子才 能产生电子一空穴对 这一过程太阳辐射能大约损耗2 1 左右 2 能量大于疋的光子在半导体内部 由于复合和寿命等原因 不能产生成有用的电子一空穴对或 以热能的方式散发掉 这部分大约损耗3 1 左右 3 由于载流子的复合和聚合效率 不完全吸收 表面太阳光的反射 开路电压一般是光伏电池的 最大电压的6 0 左右 短路电流只有2 8 删 比最大光生电流4 4 m 又减小了 4 由于串联电阻焉和并联电阻 的影响往往是输出效率降低5 左右 5 填充因子 卜般为0 7 5 加 8 左右 光伏电池的实际效率则将上述各部门损耗合成并扣除 折合为总效率 所以按常规工艺生产的 光伏电池其实际效率大约为l o 一1 8 左右 2 3 光伏电池的负载特性1 7 朋 在下图例出了无外加偏压的光伏电池电路在不同光照强度 l l 和k 下的两条伏安特性曲线 由图2 8 可见 对于同一负载r l 在不同的入射光照下 输出可以是恒流 p l 点 也可以是恒压 p 2 点 在同一光照强度下 改变负载的大小 也可使输出改成恒流形式或恒压形式 p 3 点 对于负 载的变化 可通过光伏发电系统的控制器部分来完成的 8 第二章光伏电池特性的研究与测量 i u 一 i 心 i c 乜 双 i 吐 产j l u p 图2 8 光伏电池参数与负载的关系 由上所述 光伏电池的输出电压和输出电流都和负载电阻盈大小有关 上图2 8 中列出了光伏 电池各个电参数与负载之间的关系曲线 如图所示 光伏电池的输出电流丘与输出电压觇和负载电 阻之间都不是线性关系 前者随之减小 后者随之增加 只有在负载匹配的情况下风 两p 才能获 得最大的输出功率 这时的光电转换效率口才是最高的 巳 图2 9 光伏电池有负载和有偏压时的等效电路 l e u l f u l j l 7 i l e l i 八 图2 1 0 光伏电池有负载和有偏压时的伏安特性 然而在实际的应用中如图光伏发电系统2 1 所示 光伏电池常常与蓄电池混合向负载供电 白 天日照强时 由电池将光能转换成电能 它不但要承担供电任务 还向蓄电池充电 将多余的电能 存储起来 在夜间无日照时 光伏电池输出功率为零 则由蓄电池供电 这种混合供电系统可等效 于一个光伏电池带负载 带偏压的电路 其等效电路和伏安特性曲线分别如图2 9 和图2 1 0 所示 所谓偏压就是指蓄电池上的电压昂 它随着充电过程不断进行而越来越高 光伏电池伏安特性中的 负载线r l 也相应向外移动 直至岛 u o 充电结束 9 tl j l 东南大学硕士学位论文 2 4 光伏电池特性测量 7 l 2 4 1 电气特性的测试条件 l 理想电气特性的测试条件 早期进行光伏电池或光伏阵列的电性能测试 所用光源只是理想天气条件下的自然光源 它 的优势是可使大面积的光伏阵列均匀受光 测量结果真实可信 经济实用 缺点是好天气可遇不 可求 同时自然光源的辐射强度既不稳定也不可调 做一条随光强连续变化特性曲线的试验需要 的周期时间长 这些都对光伏电池的试验条件带来很大的局限性 目前 各种太阳模拟器被广泛 运用到测量各种光伏电池特性曲线 它不但能模拟产生出与真实太阳类似的辐射光谱的光源 还 能以平行光束的形式照射到被测物体上 对于准确评估光伏电池等光伏组件的电性能参数 国际 电工委员会颁布的m c 标准中规定光伏电池的标准照度测试条件是 太阳能辐射通量1 0 0 0 w 开 环境温度2 5 大气质量a m l 5 考虑到光伏发电系统经常工作于光强较弱的条件 光伏电池在 低辐射下的特性输出对整个系统的发电能力和系统性能也影响很大 为此i e c 标准中又新增加了 对光伏电池的低辐照度性能测试 其条件改为太阳能辐射通量2 0 0 w 时 环境温度2 5 大气质 量a m l 5 2 实际电气特性的测试条件 由于自然光源的辐射既不稳定也不可调 做一条随光强连续变化特性曲线的试验需要的周期 时间长 而采用各种太阳模拟器的成本又过高 本课题利用了普通的太阳灯来等效光伏电池的光 源 2 4 2 光伏电池输出特性的测量 由于光伏电池的工作状态受光照强度和环境温度的影响 所以测试光伏电池的输出特性是测定 它在特定光照和温度下的输出功率和伏安特性曲线 具体采用的测试基本电路原理图如下 光伏电池 图2 1 l 光伏电池测试输出特性的原理图 左边是待测光伏电池的等效电路 右边是测量电路 测试过程中采用的测试步骤 当负载电阻滑动电阻器岛调到足够小时 电池输出电压很低 电流表测出负载凡上电流即可 认为是短路电流 k 当负载电阻r 上调到足够大直至断路 输出电流等于o 此时电压表测得的电 压即为开路电压 k 若通过不断调节负载电阻凡 把光伏电池的输出电压和电流绘制下来就可 得到伏安特性曲线 为减小溯试的误差 在测量时要注意两方面的问题 一个是电气设备方面 另 一个是硬件电路方面 电气方面包括 所用照射光源要稳定 电流表内阻要尽可能小 5 0 1 q 以 减小在高光能级时测量短路电流的误差 电压表内阻要尽可能大 1 0 m q 以减小在低光能级时 测量开路电压的误差 对于硬件电路方面主要的问题是导线自身电阻和各接触点的不良接触电阻 l o 第二章光伏电池特性的研究与测量 它们的过大就相当于人为地增大电池内部的串联电阻值 使得伏安特性曲线的拐弯处下降 参见图 2 1 2 解决的方法可采用图2 1 3 和图2 1 4 所示的四端点测量法和附加反馈偏压测量法 这两种方 法都可以使得测出的伏安特性与线路电阻无关 鼍忠罟譬麓警兰学 太甩电缒 屯池电渲 图2 1 2 导线和接触电阻对光伏电池图2 1 3 四端点测量法 的电流一电压关系的影响 太期电追 图2 1 4 附加反馈偏压测量法 根据以上的测试的标准条件 并结合实际的本课题实验条件 本课题采用的基本测试电路与图 2 1 3 是一样的 没有考虑导线自身电阻和各接触点的不良接触电阻的影响 光伏电池采用的是上海 索赛斯新能源科技有限公司生产的s t 单晶硅系列太阳电池组件 型号为s t5 0 s l o o b 标称功率为 5 0 w 光伏电池的光照电源采用的是2 个3 0 0 w 和2 个5 0 0 w 的太阳灯 通过这四个等组合成不同 的光照强度来等效自然光源 负载电阻采用的规格是3 a 的l o o q 的滑动变阻器 电压表和电流表统 一采用数字伏安表来测试电压 电流 通过以上的实验条件的建立 具体测试出的数据表格如表2 3 4 通过对这些试验数据进行拟合出的伏安特性曲线如图2 1 5 表2 1 6 0 0 w 时的p v i 数据 u v1 8 2 41 8 0 81 7 9 21 7 8 41 7 7 31 7 6 4 1 7 4 9 i a 0 1 8o 2 l 0 2 4 0 2 70 3 2 0 3 6o 4 5 p w3 2 8 3 23 7 9 6 84 3 0 0 84 8 1 6 85 6 7 3 66 3 5 0 47 8 7 0 5 u v1 7 2 51 6 7 51 5 9 99 o o6 1 50 5 0 i ao 5 7o 8 51 1 8l 4 31 4 51 5 p 确9 8 3 2 51 4 2 3 7 51 8 8 6 8 21 2 8 7 8 9 1 7 5 0 7 5 东南大学硕士学位论文 表3 1 3 0 0 w 时的p v i 数据 u v1 8 0 21 8 0 l1 7 9 71 7 8 7 1 7 8 21 7 7 91 7 7 4 矿ao 2 4o 2 7o 3 0o 3 7 o 4 10 4 4o 4 8 p 删4 3 2 4 84 8 6 2 75 3 9 16 6 1 1 97 3 0 6 27 8 2 7 6 8 5 1 5 2 u 1 7 5 61 7 4 21 7 0 71 6 4 41 2 4 57 0 1 o 4 2 i a0 5 90 6 70 8 21 0 l1 2 61 2 7 1 3 3 p 例1 0 3 6 0 41 1 6 7 1 41 3 9 9 7 4 1 6 6 0 4 41 5 6 8 78 9 0 2 70 5 5 8 6 表4 嗡o o w 时的p v i 数据 u y1 7 8 51 7 2 41 7 2 11 7 21 7 11 7 0 41 6 9 8 1 6 8 21 6 6 3 i aoo 0 8 o 1 4o 1 7o 2 l0 2 2o 2 30 2 60 2 8 p 嘲01 3 7 9 2 2 4 0 9 42 9 2 43 5 9 l3 7 4 8 83 9 0 5 44 3 7 3 24 6 5 6 4 u v1 5 21 2 6 21 1 3 9 9 6 l7 9 27 0 94 7 92 6 3o 5 2 l ao 3 60 3 90 4o 4 lo 4 lo 4 2o 4 3 o 4 30 4 3 洲5 4 7 24 9 2 1 84 5 5 63 9 4 0 l3 j 2 4 7 22 9 7 7 82 0 5 9 71 1 1 3 0 9 0 2 2 3 6 l 6 1 4 1 2 i o 8 o 6 o 4 o 2 o i i o51 01 5 2 0 0 5 0 4 o 3 o 2 o 1 0 i i o5l o1 52 0 o5l o1 52 0 图2 1 5 伏安特性曲线 通过对试验数据表格三 四 五可以进行整理从而 得出p v p i 曲线如图2 1 6 2 1 7 t 2 l 8 6 4 2 o i 1 0 o 0 o 价 笙三兰垄垡皇堂堡塑墅茎皇型苎 p o f 胃 o5 oo 5l1 5 2 i t 拥 图2 1 6 p v 曲线 t a 1 5 o 5 1 5 1 5 i 直 8 6 4 z 0 8 6 4 2 o 堪 控 8 6 4 2 o 6 5 4 3 2 1 0 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 坫 m 5 o 东南大学硕士学位论文 0o 10 2o 30 40 5 图2 1 7 p l 曲线 i 2 4 3 测试串联电阻 光伏电池中的串联电阻是其反映电性能的另一个重要参数 不论是光伏电池组件还是光伏阵列 其测量原理是一样 通过某一光伏电池在不同条件下得到的两条伏安特性曲线进行比较 可间接地 得到电池内部的串联电阻值 方法如下 一种方法是光 暗特性曲线比较法 图2 1 8 所示 图中曲线l 是该电池光照下的伏安特性曲线 曲线2 是在无光照下得到的伏安特性曲线 曲线3 是曲线2 经过纵轴反向位移后得到的 在i 2 两 条曲线靠近 k 处水平面上提取 u 值 根据公式冠 u k 可计算出串联电阻月s 值 另一种方法是使用该电池在不同光强曲线比较法 图2 1 9 所示 曲线1 和曲线2 分别是该电池 在两种不同光强条件下测得的两条伏安特性曲线 实际的 的测量方法利用前面得到的数据可以得 出实际的足测量曲线如图2 2 0 所示 在两条曲线的最大功率点处分别取处电压差 u 卸 7 8 v 和电流 差 8 2 a 根据公式兄 u k 即可计算出串联电阻r i 0 9 6 n 端电流 m a v 图2 1 8 光 暗曲线测凡图2 1 9 不同光强曲线法测 1 4 v 第二章光伏电池特性的研究与测量 1 6 1 4 1 2 l o 8 0 6 o 4 o 2 0 o51 01 5 图2 2 0 实际测量焉的曲线 2 5 本章小结 1 5 0 孵 一r 5 0 孵 w v l 理论阐述了光伏电池的工作原理 从而得出其等效电路图 对等效电路进行了物理概念上的理论 推导 从而得出光伏电池的物理公式 就物理公式进行了深入的研究和总结 得出关于光伏电池关 键的电气量短路电路 开路电压以及输出电气量随光照强度和环境温度变化的规律 2 在前面所推导的关于光伏电池的物理公式的基础上 通过m a t l a b 进行了光伏电池输出特性的图 形分析 并对光伏电池效率进行了理论的分析 并简单介绍了光伏电池的负载特性 从而得出 光 伏电池存在一个最大功率的工作点状态 阐述和介绍一些对光伏电池组件进行电气测