林 洪 袁紅波

（國網(wǎng)聊城供電公司，山東聊城252000）

0 引言

當(dāng)前，傳統(tǒng)能源儲量日益減少，且化石能源發(fā)電給環(huán)境帶來的影響已越來越引起人們的重視[1]。充分利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電成為各個國家在發(fā)電領(lǐng)域研究的熱點。我國風(fēng)能主要集中在偏遠(yuǎn)山區(qū)、西北地區(qū)及東南沿海等，相比于風(fēng)力發(fā)電對地域、占地及建設(shè)環(huán)境的要求，太陽能發(fā)電以其安裝的便捷性及對建設(shè)環(huán)境的較小影響，而日益呈現(xiàn)出多樣性的發(fā)展方向：它不僅可以在偏遠(yuǎn)且太陽能充沛的地區(qū)進(jìn)行集中配置，還可以在城市的樓宇頂部、鄉(xiāng)村房頂、別墅屋頂?shù)冗M(jìn)行分散式配置。太陽能發(fā)電運行模式在滿足自身需求的同時，可將多余的能量反饋回電網(wǎng)盈利。

《2019全球可再生能源報告》數(shù)據(jù)顯示，太陽能光伏新增裝機(jī)約100 GW，占可再生能源新增裝機(jī)的55%，總?cè)萘窟_(dá)到505 GW。2018年全國新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量4 426萬kW，截至2018年底累計光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)1.74億kW，約占總裝機(jī)容量的9%，全年新增和累計裝機(jī)容量均居世界首位[2]?！赌茉瓷a(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016—2030）》提出，爭取到2020年和2030年，非化石能源占一次能源消費的比重達(dá)到15%和20%，實現(xiàn)2050年能源消費的總量基本穩(wěn)定，非化石能源占比超過50%，建成能源文明消費型社會[3]。《中國可再生能源發(fā)展路線圖2050》表明，到2050年，中國電力供應(yīng)中的可再生能源發(fā)電比例將達(dá)到86%。

本文對光伏發(fā)電的原理及模型進(jìn)行了論述，為后期光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1 光伏電池工作原理

光伏電池作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本單元，主要是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。它的主要原理是：當(dāng)太陽光照射到光伏電池時，光伏電池吸收了其中一部分輻射能，產(chǎn)生電子—空穴對。在電池內(nèi)建電場的作用下，電子和空穴被分離，電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)轉(zhuǎn)移，使得N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，即在PN結(jié)附近產(chǎn)生與內(nèi)建電場方向相反的光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)[4]，如圖1所示。這時若在P區(qū)和N區(qū)分別接上金屬導(dǎo)線，連接負(fù)載，則有“光生電流”流過負(fù)載，就有功率輸出，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。

圖1 光伏電池工作原理

2 光伏電池物理建模

光伏電池的數(shù)學(xué)模型主要包括單二極管模型、雙二極管模型等。

2.1 單二極管模型

光伏電池的理想模型由一個光生電流源Iph和二極管D并聯(lián)構(gòu)成，若考慮光伏電池的內(nèi)阻，則需要在光伏電池理想模型的電路圖中加入一個串聯(lián)等效電阻Rs和一個并聯(lián)等效電阻Rsh，得到光伏電池的單二極管模型，如圖2所示。

圖2 光伏電池單二極管等效電路模型圖

光伏電池單二極管模型的輸出電流I和輸出電壓V的關(guān)系式為：

式中：k和q為常量，其值分別為1.831×10-23J/K和1.602×10-19C；A為擬合系數(shù)且是一個變量；Is代表二極管飽和電流。

光照強(qiáng)度和光伏電池的實際工作溫度是影響光生電流大小的重要參數(shù)，三者的關(guān)系如下：

式中：CT為溫度系數(shù)（A/K）；S為實際日照強(qiáng)度（W/m2）；T為光伏電池的實際工作溫度；帶下標(biāo)其他量分別為對應(yīng)相關(guān)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)參考值。

2.2 雙二極管模型

光伏電池的雙二極管模型如圖3所示。

圖3 光伏電池雙二極管等效電路模型圖

雙二極管模型較單二極管模型精度更高，因為耗盡區(qū)的復(fù)合損耗也加入考慮的范圍，其輸出電流、電壓的關(guān)系式為：

2.3 光伏陣列

實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要將單個光伏電池通過串聯(lián)、并聯(lián)組成光伏陣列進(jìn)行發(fā)電，以滿足發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和輸出功率的要求。假定組成光伏陣列的光伏電池相關(guān)特性參數(shù)一致，選用單二極管模型建立光伏陣列，如圖4所示。

圖4 單二極管模型光伏陣列等效電路圖

光伏陣列的輸出電流、電壓關(guān)系式為：

式中：Ns為光伏電池串聯(lián)個數(shù)；Np為光伏電池并聯(lián)個數(shù)。

3 結(jié)語

本文從光生伏特效應(yīng)出發(fā)闡述了光伏發(fā)電的原理，并且根據(jù)實際光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型列出了如何將單個光伏電池通過串聯(lián)、并聯(lián)組成光伏陣列，實現(xiàn)光伏輸出功率，為后續(xù)光伏發(fā)電的仿真建模提供了依據(jù)。