光照變化時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)功率特性分析

董子一，王洪增

（中國(guó)核能電力股份有限公司，安徽 合肥 231115）

21 世紀(jì)是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革的世紀(jì)。由于傳統(tǒng)能源已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺局面，并會(huì)造成環(huán)境不斷惡化，因此人類開始將目光轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)代替以資源有限、污染嚴(yán)重的化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。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(guó)的關(guān)注。并網(wǎng)光伏發(fā)電是當(dāng)前光伏發(fā)電技術(shù)的利用趨勢(shì)，這標(biāo)志著光伏技術(shù)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(guó)已經(jīng)并網(wǎng)運(yùn)行的光伏電站總體裝機(jī)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(duì)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(jìn)行分析，并分別在光照強(qiáng)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(qiáng)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(guān)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(duì)，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(chǎng)Ei牽引到對(duì)方區(qū)域，然后在光伏電池中的P-N 結(jié)中產(chǎn)生光生電場(chǎng)Epv，當(dāng)接通外電路時(shí)，即可流出電流，輸出電能。當(dāng)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(gòu)成光伏電池組件，便會(huì)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(dǎo)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(xué)理論，光伏電池等效電路的實(shí)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(qiáng)度；IL為光伏電池輸出的負(fù)載電流；U為負(fù)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(fù)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(dǎo)體電阻、電極與硅表面間接觸電阻和金屬導(dǎo)體電阻等組成；等效并聯(lián)電阻Rsh由電池表面污濁和半導(dǎo)體晶體缺陷引起的漏電流所對(duì)應(yīng)的P-N 結(jié)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(duì)較小，而等效并聯(lián)電阻Rsh相對(duì)較大，計(jì)算時(shí)理想的等效電路只相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流源與一個(gè)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(dá)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(jié)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(jié)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(duì)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(qiáng)度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會(huì)影響電池的性能指標(biāo)，而且溫度的影響和光照強(qiáng)度的影響還常常同時(shí)存在。為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，簡(jiǎn)化的近似工程用模型為：

其中兩個(gè)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(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，光照強(qiáng)度的變化將導(dǎo)致其功率輸出波動(dòng)，進(jìn)而造成配電網(wǎng)明顯的電壓波動(dòng)。本節(jié)主要分析光照變化情況下光伏發(fā)電的功率響應(yīng)特性。

3.1 光照階躍變化下動(dòng)態(tài)響應(yīng)

假設(shè)光伏電站初始工作光照強(qiáng)度1 000 W/m2的條件下，某時(shí)段光照強(qiáng)度躍變?yōu)?00 W/m2。此時(shí)，逆變器中MPPT控制器動(dòng)作，根據(jù)2 節(jié)中任意光照和強(qiáng)度下的光伏電池工程化數(shù)學(xué)模型，直流端最佳工作電壓從0.990（標(biāo)么值）調(diào)整為0.972（標(biāo)么值），隨著光照強(qiáng)度的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出有功從0.894（標(biāo)么值）下降到0.794（標(biāo)么值），結(jié)果如圖3 所示。輻照度發(fā)生階躍變化時(shí)，光伏陣列輸出的直流電壓能很快跟隨最大功率點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過短時(shí)間的振蕩，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)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(qiáng)度與光伏電站輸出有功功率成正特性關(guān)系。光伏電站接入電網(wǎng)在輻照度驟變下對(duì)接入點(diǎn)電壓暫態(tài)的影響不大，可忽略不計(jì)。

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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

假設(shè)光伏電站初始工作光照強(qiáng)度1 000 W/m2的條件下，某時(shí)段光照強(qiáng)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(dāng)光照度發(fā)生斜坡變化時(shí)MPPT 控制器動(dòng)作，直流端最佳工作電壓從0.990（標(biāo)么值）調(diào)整為0.972（標(biāo)么值），而隨著光照強(qiáng)度的變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出有功從0.894（標(biāo)么值）下降到0.794（標(biāo)么值）。可見光照強(qiáng)度、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(guān)系。

4 總結(jié)

由于光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，因此光照強(qiáng)度發(fā)生變化將導(dǎo)致其輸出功率出現(xiàn)一定的波動(dòng)。本文分別通過以光照強(qiáng)度進(jìn)行階躍變化和斜坡變化的條件下，對(duì)光伏出力特性進(jìn)行分析，從而得出光照強(qiáng)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(guān)系。