董子一，王洪增

（中國核能電力股份有限公司，安徽 合肥 231115）

21 世紀是世界能源結構發(fā)生巨大變革的世紀。由于傳統(tǒng)能源已出現(xiàn)嚴重短缺局面，并會造成環(huán)境不斷惡化，因此人類開始將目光轉向可再生能源的發(fā)展。大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源，以資源無限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣性能源結構代替以資源有限、污染嚴重的化石能源為主的能源結構已成為人們關注的焦點。太陽能作為一種新型綠色的可再生能源，是最理想的可再生能源，越來越受到世界各國的關注。并網(wǎng)光伏發(fā)電是當前光伏發(fā)電技術的利用趨勢，這標志著光伏技術步入大規(guī)模發(fā)電階段，成為電力工業(yè)的組成部分之一。目前，中國已經(jīng)并網(wǎng)運行的光伏電站總體裝機規(guī)模較小，但在部分地區(qū)，出現(xiàn)了一些諧波等電能質(zhì)量問題。若大量光伏發(fā)電接入電網(wǎng)，則可能帶來多方面的影響。本文通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)基本原理和光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)模型進行分析，并分別在光照強度階躍變化和斜坡變化的條件下，得到直流端最佳工作電壓和光伏系統(tǒng)有功輸出的波形圖，以此得到光照強度、直流端最佳工作電壓和光伏電池輸出有功功率三者之間的關系。

1 光伏發(fā)電基本原理

光伏發(fā)電原理如圖1 所示，光伏電池受到太陽光子的沖擊，在光伏電池內(nèi)部產(chǎn)生大量處于非平衡狀態(tài)的電子-空穴對，其中的光生非平衡少數(shù)載流子（即N+區(qū)中的非平衡空穴和P 區(qū)中的非平衡電子）可以被內(nèi)建電場Ei牽引到對方區(qū)域，然后在光伏電池中的P-N 結中產(chǎn)生光生電場Epv，當接通外電路時，即可流出電流，輸出電能。當把眾多這樣小的太陽能光伏電池單元通過串并聯(lián)的方式組合在一起，構成光伏電池組件，便會在太陽能的作用下輸出功率足夠大的電能。

2 光伏電池暫態(tài)分析模型

光伏電池屬于半導體光電器件，太陽光直接輻射到電池而產(chǎn)生電。根據(jù)電子學理論，光伏電池等效電路的實際形式和理想形式分別如圖2（a）、2（b）所示。

圖2 光伏電池的等效電路

圖2（a）中，Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的光照強度；IL為光伏電池輸出的負載電流；U為負載兩端的電壓；UD表示等效二極管的端電壓；ID為流經(jīng)二極管的電流；RL為電池的外負載電阻；電路中等效串聯(lián)電阻Rs由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻、電極與硅表面間接觸電阻和金屬導體電阻等組成；等效并聯(lián)電阻Rsh由電池表面污濁和半導體晶體缺陷引起的漏電流所對應的P-N 結漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成。

因等效串聯(lián)電阻Rs相對較小，而等效并聯(lián)電阻Rsh相對較大，計算時理想的等效電路只相當于一個電流為Iph的恒流源與一個二極管并聯(lián)，如圖2（b）所示。

光伏電池等效電路中各變量的表達式如式（1）～（5）所示：

式（1）～（5）中：I0為光伏電池內(nèi)部等效二極管P-N 結反向飽和電流；Isc為光伏電池的短路電流；Uoc為光伏電池的開路電壓；A為P-N 結的曲線常數(shù)，其值一般在1～2 之間變化；k為波爾茲曼常量，值為1.38×10-23J/K；T為絕對溫度，K；q為電荷量，值為1.6×10-19C。

光伏電池工作環(huán)境的多種外部因素，如光照強度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會影響電池的性能指標，而且溫度的影響和光照強度的影響還常常同時存在。為便于計算機計算，簡化的近似工程用模型為：

其中兩個系數(shù)C1和C2分別為：

3 光伏發(fā)電暫態(tài)特性分析

光伏發(fā)電具有隨機性、波動性和間歇性的特點，光照強度的變化將導致其功率輸出波動，進而造成配電網(wǎng)明顯的電壓波動。本節(jié)主要分析光照變化情況下光伏發(fā)電的功率響應特性。

3.1 光照階躍變化下動態(tài)響應

假設光伏電站初始工作光照強度1 000 W/m2的條件下，某時段光照強度躍變?yōu)?00 W/m2。此時，逆變器中MPPT控制器動作，根據(jù)2 節(jié)中任意光照和強度下的光伏電池工程化數(shù)學模型，直流端最佳工作電壓從0.990（標么值）調(diào)整為0.972（標么值），隨著光照強度的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出有功從0.894（標么值）下降到0.794（標么值），結果如圖3 所示。輻照度發(fā)生階躍變化時，光伏陣列輸出的直流電壓能很快跟隨最大功率點進行調(diào)整，經(jīng)過短時間的振蕩，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，并使光伏電站的輸出有功功率保持在最大功率點處。隨著輻照度的增大，光伏電站輸入電網(wǎng)的有功功率增大，即光照強度與光伏電站輸出有功功率成正特性關系。光伏電站接入電網(wǎng)在輻照度驟變下對接入點電壓暫態(tài)的影響不大，可忽略不計。

圖3 光伏陣列最佳工作電壓與有功輸出變化曲線

3.2 光照斜坡變化下動態(tài)響應特性

假設光伏電站初始工作光照強度1 000 W/m2的條件下，某時段光照強度在1 s 內(nèi)斜坡變化為900 W/m2。光伏陣列最佳工作電壓與有功輸出變化曲線如圖4 所示。

從圖4 中可以看出當光照度發(fā)生斜坡變化時MPPT 控制器動作，直流端最佳工作電壓從0.990（標么值）調(diào)整為0.972（標么值），而隨著光照強度的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出有功從0.894（標么值）下降到0.794（標么值）?？梢姽庹諒姸?、直流端最佳工作電壓、光伏電池輸出有功功率三者呈正特性關系。

4 總結

由于光伏發(fā)電具有隨機性、波動性和間歇性的特點，因此光照強度發(fā)生變化將導致其輸出功率出現(xiàn)一定的波動。本文分別通過以光照強度進行階躍變化和斜坡變化的條件下，對光伏出力特性進行分析，從而得出光照強度、直流端最佳工作電壓和光伏電池輸出有功功率三者之間呈正特性關系。