光伏電池等效電路模型及其簡(jiǎn)化研究 1 2 2 4 7 9 9 3.3光伏電池的模型仿真與輸出特性 22 4.1.2直流變換器 244.1.3逆變器 4.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性研究 28 32 第一章本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)框架本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分，分析了光伏電池的工作原理，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)中各部分的機(jī)理模型，并對(duì)系統(tǒng)的輸出特性進(jìn)行研究。本文各部分的具體內(nèi)容如下：第一章：緒論。主要介紹了本文的研究背景和意義，闡述了近年來(lái)可再生能源的發(fā)展?fàn)顩r及其重要性和必要性，介紹了太陽(yáng)能發(fā)電有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種形式，分析了光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)；綜述了國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能光伏電池和光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀；介紹了本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章：光伏發(fā)電的相關(guān)理論知識(shí)。首先，介紹了半導(dǎo)體的組成和能帶的概念，指出半導(dǎo)體導(dǎo)電的原理，只要有能量大于禁帶寬度的光子就可以被半導(dǎo)體界面吸收，從而激發(fā)價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電流；接著，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的三個(gè)類(lèi)型：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并分別概述了每種光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征；最后，結(jié)合我國(guó)相關(guān)規(guī)定，簡(jiǎn)單介紹了我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。第三章：光伏電池的模型和輸出特性。某種程度看出對(duì)光伏電池的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，研究了光伏電池的等效電路和伏安特性曲線(xiàn)；對(duì)光伏電池的等效電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；采用Matlab仿真平臺(tái)得到光伏電池的仿真模型，研究了光伏電池的輸出特性，并與廠(chǎng)家提供的輸出特性曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化模型的可行性和普適性。第四章：光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型和特性研究。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電過(guò)程，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為1MWp,這在一定程度上確認(rèn)了為光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他組成部分選擇合適的器件，研究其工作原理和數(shù)學(xué)模型，并用Matlab模擬得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力曲線(xiàn)；通過(guò)改變光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度得到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的變化，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。第五章：總結(jié)與展望。總結(jié)了本文的主要研究?jī)?nèi)容，提出了論文研究過(guò)程中的不足之處，并對(duì)未來(lái)進(jìn)一步深入研究進(jìn)行了展望。第二章光伏發(fā)電的相關(guān)理論知識(shí)半導(dǎo)體是由很多以共價(jià)鍵連接的原子按照一定方式排列組成的，單原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，則單原子呈中性不帶電，因此半導(dǎo)體也呈電中性(李澤宇，張曉峰，2022)。硅是使用最廣泛的半導(dǎo)體材料，大部分的太陽(yáng)能光伏電池的基本材料就是硅及其化合物。當(dāng)原子組成分子過(guò)程中，原子與原子之間產(chǎn)生相互作用，每個(gè)原子能級(jí)將會(huì)分裂成兩個(gè)能量不一樣的能級(jí)，形成兩個(gè)能量不一樣的能帶，其中有電子存在且能量較高的能帶稱(chēng)為價(jià)帶VB,價(jià)帶中的電子被稱(chēng)為價(jià)電子(王俊鵬，劉一凡，2023),另一個(gè)沒(méi)有電子存在且能量較低的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶CB,從這些對(duì)話(huà)中看出如圖2.1所示，處于價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的稱(chēng)為禁帶，禁帶的能量稱(chēng)為禁帶寬度Eg,表示價(jià)導(dǎo)電物體能夠?qū)щ姷脑蛑饕且驗(yàn)殡娮釉谕怆妶?chǎng)的作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，即電子從一個(gè)能帶躍遷到另一個(gè)能帶，從這些跡象表明從而產(chǎn)生電流，產(chǎn)生導(dǎo)電性。當(dāng)電子脫離共價(jià)鍵形成自由電子后，就會(huì)剩下一個(gè)帶正電的空位，這個(gè)空位被稱(chēng)為空穴。由于每產(chǎn)生一個(gè)自由電子就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)空穴，即空穴和自由電子是分的創(chuàng)作借鑒了章和寧教授的相關(guān)主題的研究，主要體現(xiàn)在思路和手法方面，在思路上遵循了其強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)性與邏輯性的原則。圖2.2展示的分別是導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶示意圖。對(duì)于導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，這在一定程度上展現(xiàn)了價(jià)帶只有一部分被電子充滿(mǎn)，而且價(jià)帶與導(dǎo)帶之間沒(méi)有間隙，甚至產(chǎn)生重疊，在外電場(chǎng)的作用下，價(jià)帶中的價(jià)電子很容易躍遷到?jīng)]有電子的導(dǎo)帶中去，從而形成電流或傳遞熱量，因此導(dǎo)體具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。然而，在絕緣體中，價(jià)帶被價(jià)電子充滿(mǎn)，價(jià)帶和導(dǎo)帶間的禁帶寬度很寬，價(jià)電子被共價(jià)鍵連接著，很難發(fā)生躍遷，不容易產(chǎn)生能夠自由移動(dòng)的電子，因此，絕緣體的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能較差(張雅靜，周赫連，2022)。半導(dǎo)體的價(jià)帶也被價(jià)電子充滿(mǎn)，禁帶寬度Eg大約在0.5~3eV之間，這種雙重視角不僅促進(jìn)了對(duì)研究對(duì)象內(nèi)部運(yùn)作的理解，也為解決實(shí)際問(wèn)題提出了更具針對(duì)性的方法。與可見(jiàn)光光子的能量相匹配，只要有能量大于禁帶寬度的光子就可以被吸收，依據(jù)此理論框架進(jìn)行全面分析可獲知結(jié)果從而激發(fā)價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電流，因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能不及導(dǎo)體那么強(qiáng)，但也不似絕緣體那樣毫不導(dǎo)電，性能介于兩者之間(林浩然，吳志明，2020)。光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)能夠?qū)⑻?yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的關(guān)鍵原理是光伏電池的光生伏特效應(yīng)。從這些記錄中體現(xiàn)根據(jù)運(yùn)行方式不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種(唐子凡，何悅彤，2019)。本文中的數(shù)據(jù)處理技巧對(duì)比早期的方法而言，更加簡(jiǎn)潔高效。采用了更為簡(jiǎn)化的預(yù)處理程序，這一程序去除了不必須的轉(zhuǎn)換步驟，優(yōu)化了數(shù)據(jù)清理和歸一化過(guò)程，從而極大提高了處理效率。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在分散在用電地區(qū)旁邊的光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用當(dāng)?shù)氐臈l件，因地制宜，由于分散建設(shè)，則可以就近發(fā)電使用。其中應(yīng)用最多的是在普通居民屋頂或者使建筑物屋頂上的太陽(yáng)能光伏電池板，這種應(yīng)用輸出功率相對(duì)較小，這在一定程度上反映出來(lái)但可以有效利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能資源，清潔高效，安全性高，可靠性高，安裝成本小，解決了電能在升壓運(yùn)輸過(guò)程中的損耗問(wèn)題，當(dāng)周?chē)娋W(wǎng)出現(xiàn)故障或者部分地區(qū)用電緊張時(shí)，從這些程序可以發(fā)現(xiàn)可以作為應(yīng)急電源供其使用(趙俊杰，王欣怡，2023)。研究中遇到的難題和局限性為后續(xù)工作指引了改進(jìn)的方向，激發(fā)研究人員不斷優(yōu)化和完善研究設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)更深入的理解和更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能光伏電池組件、控制器和蓄電池組成，可直接與直流負(fù)載相連，若要連接交流負(fù)載為其提供電能，則需在中間添加一個(gè)逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。當(dāng)白天陽(yáng)光充足時(shí)(徐子琪，陳立鋒，2020),從這些措施中看出太陽(yáng)能光伏電池組件起到主要作用，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的電能不僅用來(lái)給負(fù)載供電，多余的電能還能給蓄電池充電，貯存一部分能量；當(dāng)夜間或者下雨天等光照條件不好的時(shí)候，此時(shí)光伏電池組件的效率較低，起主要作用的是蓄電池，由它放出電在這等場(chǎng)景中并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于蓄電池的存在可有可無(wú)I?91,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，主要由太陽(yáng)能光伏電池組件、控制器和并網(wǎng)逆變器等部分組成[60,光伏電池組件發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器和變壓器直接輸入到電網(wǎng)，不需要蓄電池充電放電來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免了中途能量損耗，減小了系統(tǒng)的發(fā)電成本，減少了系統(tǒng)的使用面積，在這種設(shè)定里提高了太陽(yáng)能資源的利用率(孫方法相結(jié)合，為解決復(fù)雜問(wèn)題提供了全新的視角和解決方案。控制器的主要作用是監(jiān)控和管理整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)每一個(gè)發(fā)電流程的工作狀態(tài)，例如可控制光伏電池組件輸出始終處于最大功率點(diǎn)處。并網(wǎng)逆變器的主要作用是將光伏電池組件產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，可直接與交流負(fù)載連接并為其提供能量，也可以經(jīng)過(guò)升壓變壓器升壓后并入電網(wǎng)(劉昱辰，鄭馨月，2023)。遇到這種情況時(shí)配置了儲(chǔ)能裝置的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的應(yīng)急功能，當(dāng)電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障或者整體停電時(shí)，可以利用儲(chǔ)能裝置繼續(xù)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，可用于應(yīng)急供電系統(tǒng)[61]。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于大規(guī)模光伏電站發(fā)電，在用電高峰期時(shí)，還可以用于調(diào)節(jié)用電，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要發(fā)展方向，也是目前極具前景的能源利用技術(shù)(王文博，蔡佳霖，2022)。借助實(shí)證分析、案例分析及綜合研究方法，本文不僅證實(shí)了理論構(gòu)想的可靠性，還揭示了實(shí)踐中的關(guān)鍵因素及其作用機(jī)理。根據(jù)隔離方式的不同，又可將并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)分為隔離式和非隔離式兩種(楊柏林，范婷婷，2023)?21。隔離式并網(wǎng)變壓器根據(jù)頻率不同又可分為工頻型和高頻型，在光伏逆變器發(fā)展初期多使用工頻型變壓器隔離，雖然算法簡(jiǎn)單，但這種隔離方法成本高、損耗大，且變壓器的體積和重量也大，高頻型變壓器隔離方法的出現(xiàn)解決了這些問(wèn)題[63。從這些過(guò)程中看出非隔離式變壓器可分為單級(jí)式和雙級(jí)式(郭紫萱，周俊熙，2022)。單級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列直接與光伏逆變器連接并網(wǎng)發(fā)電，因此該逆變器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不僅要實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤控制，還要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用器件數(shù)量少，按照這種理論框架進(jìn)行探究結(jié)論為適合于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電(趙思琦，劉凱5。在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，本文特別關(guān)注了經(jīng)濟(jì)合理性與方案的可復(fù)制性，相較于原始規(guī)劃，在多個(gè)方面進(jìn)行了細(xì)致的改良與提升。雙級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)由兩級(jí)組成，分別是前級(jí)DC-DC直流變換器和后級(jí)DC-AC逆變器，前級(jí)DC-DC直流變換器的作用是實(shí)現(xiàn)光伏電池組件輸出電壓的升壓控制，并使光伏發(fā)電系統(tǒng)始終處于最大功率點(diǎn)處工作，從這些分析中證明后級(jí)DC-AC逆變器則是將前級(jí)變換器升壓后得到的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓相同頻率、相同相位滿(mǎn)足并網(wǎng)條件的交流電，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)比單級(jí)式簡(jiǎn)單，且前后兩級(jí)變換器互不干擾，可靠性高，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，便于整體設(shè)計(jì)2.3太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論是向交流負(fù)載供電還是直接與電網(wǎng)相連，都要滿(mǎn)足電能質(zhì)量要求，電壓、頻率、波形和功率因素等都需滿(mǎn)足規(guī)定要求并符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[69。如果在并網(wǎng)過(guò)程中出現(xiàn)較大偏差，系統(tǒng)檢測(cè)到某處出現(xiàn)異常，就會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)與電首先，對(duì)于工作電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)其電壓需與電網(wǎng)電壓相匹配。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)為三相且電網(wǎng)電壓為20kV及以下時(shí)，電網(wǎng)的額定電壓為400V;當(dāng)電網(wǎng)為220V單相時(shí)，額定電壓為230V。從這些章節(jié)中看出根據(jù)國(guó)家《電能質(zhì)量供電電壓偏差》規(guī)定，并網(wǎng)過(guò)程中允許的電壓偏差需以電網(wǎng)的額定電壓作為標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行計(jì)算，三相電壓的允許電壓偏差范圍為372~428V,是電網(wǎng)額定電壓的±7%,單相電壓的允許電壓偏差范圍為207~246.1V,是電網(wǎng)額定電壓的+7%、-10%[701。因此，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)需要并網(wǎng)時(shí)，電壓偏差需要在該范圍之內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。這些研究設(shè)想與探索領(lǐng)域不僅立足于對(duì)當(dāng)前狀況的深刻洞察，還結(jié)合了領(lǐng)域內(nèi)的最新發(fā)展與未來(lái)預(yù)測(cè)，旨在探索未知地帶、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題并推動(dòng)學(xué)術(shù)進(jìn)步。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)需和電網(wǎng)同步運(yùn)行，通過(guò)這些細(xì)節(jié)表明光伏系統(tǒng)的頻率也要保持與電網(wǎng)頻率一致。我國(guó)規(guī)定的電網(wǎng)的額定頻率為50Hz,系統(tǒng)的頻率也要保持在50Hz,當(dāng)容量較小時(shí)，系統(tǒng)允許出現(xiàn)的偏差為額定頻率的±0.5Hz,即果的吻合性說(shuō)明理論模型中考慮的影響因素及其相互作用是合理的，對(duì)理解研究現(xiàn)象的本質(zhì)至關(guān)重要。接著，除了頻率一致之外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出波形和電網(wǎng)能量都應(yīng)該是正弦波，如果在運(yùn)行過(guò)程中兩者相互作用產(chǎn)生擾動(dòng)，則可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形過(guò)度變形，產(chǎn)生畸變，從而引發(fā)諧波，造成污染72]。若已產(chǎn)生諧波干擾作用，則需最后，對(duì)于功率因數(shù)，我國(guó)規(guī)定單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)無(wú)論超前還是第三章光伏電池的模型和輸出特性轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@無(wú)疑地揭示了本質(zhì)是利用太陽(yáng)能的一種普遍的簡(jiǎn)單的裝置(韓思量要求將光伏組件通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成光伏陣列進(jìn)行發(fā)電(王欣怡，李睿當(dāng)有太陽(yáng)光照射在P-N結(jié)上時(shí)，有一部分的光被反射出去，還有一部分光被P-N結(jié)吸收，當(dāng)光子具有的能量大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，就能激發(fā)P-N結(jié)中的電子從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使P-N結(jié)內(nèi)部的電荷分布發(fā)生變化(李俊凱，王佳琪，2021)。在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，這在一定程度上確認(rèn)了這些電子-空穴對(duì)產(chǎn)生分離，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，導(dǎo)致N區(qū)電子累積增多，P區(qū)空穴累積增多，這些相似性不僅體現(xiàn)在分析設(shè)計(jì)的方法論上，如數(shù)據(jù)收集與分析手段的采用，還深刻反映在核心發(fā)現(xiàn)與推論之中。從而P-N結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生從P區(qū)指向N區(qū)的電流，該電流方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，稱(chēng)為光生電流。光生電流一部分用來(lái)抵消P-N結(jié)內(nèi)部的內(nèi)電場(chǎng)電流，剩余部分使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這可以看作一個(gè)非線(xiàn)性的電流源，產(chǎn)生的功率與光照強(qiáng)度有關(guān)，若光照強(qiáng)度不變，電流也幾乎不變化，只要存在一定的光照條件，光伏電池就可以源源不斷地發(fā)電。而普通電池則相當(dāng)于一個(gè)電壓源，這在一定范圍內(nèi)顯示了產(chǎn)生的電壓由正負(fù)兩極成本控制方面，通過(guò)精簡(jiǎn)無(wú)效步驟、采用成本效益更高的方案，有效減少了總體成本，提升了方案的性?xún)r(jià)比。3.2光伏電池的數(shù)學(xué)模型光生電流L,若太陽(yáng)能光照強(qiáng)度S增大時(shí)，這在某種程度上表征該值也會(huì)變大，要參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(光照強(qiáng)度S=1000W/m2,環(huán)境溫度T=25℃)下測(cè)得已有觀(guān)點(diǎn)，還提出了新的見(jiàn)解，為相關(guān)領(lǐng)域的理論發(fā)電阻Rs數(shù)值很小，則可以將其忽略，等效并聯(lián)電阻很大，則可以忽略(U+最大功率點(diǎn)處電壓Um就可以計(jì)算出C1、由于光伏電池的輸出特性隨太陽(yáng)能光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)輸出特性關(guān)系式不能完全準(zhǔn)確地用來(lái)描述非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下光伏電池的輸出電流和環(huán)境溫度差值△T,得到最新時(shí)刻的Isc、Uoc、Im和Um,從而得到該時(shí)刻的光從這些證據(jù)可以看出實(shí)際情況下光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等外界環(huán)境的變化引從這些細(xì)節(jié)中可以看出通過(guò)利用輸出電流和輸出電壓的變化量來(lái)修正實(shí)際3.3光伏電池的模型仿真與輸出特性 (即太陽(yáng)能光照強(qiáng)度S=1000W/m2,這在一定程度上反映出來(lái)環(huán)境溫度T=25℃)下的具體技術(shù)參數(shù)如表3.1所示，廠(chǎng)家提供的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的特性曲線(xiàn)圖如圖參數(shù)名稱(chēng)組件尺寸短路電流Isc開(kāi)路電壓Uoc短路電流溫度系數(shù)KI最大功率溫度系數(shù)Kp組件效率功率公差工作溫度流(A)流(A)由圖3.3可知，在外電路開(kāi)路的情況下，即負(fù)載電阻趨于無(wú)限大，負(fù)載上的電流趨于零時(shí)，可用電壓表測(cè)得電路兩端的電壓，兩點(diǎn)電位差稱(chēng)為開(kāi)路電壓Uoc;當(dāng)外電路短路時(shí)，即負(fù)載電阻趨于零，電流從電源的一端跨過(guò)電阻直接流回電源的另一端，在研究策略上，本文展示了獨(dú)特的方法論視角，創(chuàng)造性地融合了多種學(xué)科的研究方法。在理論層面，通過(guò)整合不同理論體系的內(nèi)容，構(gòu)建了一個(gè)更為綜合的理論框架。負(fù)載上的電壓也趨于零時(shí)，在這樣的背景下此時(shí)流過(guò)整個(gè)電路的電流稱(chēng)為短路電流Isc。PN結(jié)內(nèi)的內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生了光生伏特效應(yīng)，內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，則光生伏特效應(yīng)越強(qiáng)，產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)就越大，開(kāi)路電壓Uoc也就隨之增大(陳雨彤，周曉琳，2022)。由于半導(dǎo)體材從這些模式中顯現(xiàn)當(dāng)溫度增大時(shí)，半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)減弱，則開(kāi)路電壓Uoc減小，因此光伏電池的開(kāi)路電壓Uoc與溫度呈反相關(guān)，與太陽(yáng)能光照強(qiáng)度呈正相關(guān)。同樣，短路電流Isc也與太陽(yáng)能光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，隨輻照量的增大而增大菲，2022)。較小，因?yàn)楣夥姵乇患ぐl(fā)的電子-空穴對(duì)的數(shù)量是一定的，輸出電流不可能無(wú)限增加。在這一基礎(chǔ)上，結(jié)合研究主題，精心制定了科學(xué)合理的研究方案，包含數(shù)據(jù)收集方式、樣本選取標(biāo)準(zhǔn)以及分析體系。因此，某種程度看出短路電流Isc與溫度和太陽(yáng)能光照強(qiáng)度均呈正相關(guān)。根據(jù)上一小節(jié)分析的光伏電池的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，采用Matlab/Simulink仿真由于光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響較大，根據(jù)光伏電池的Matlab仿真模型，這在一定程度上確認(rèn)了可分別得到恒定環(huán)境溫度不同太陽(yáng)能光照強(qiáng)度下和恒定太陽(yáng)能光照強(qiáng)度不同環(huán)境溫度下的光伏電池的輸出特性曲線(xiàn)，即光伏電池輸出電壓和電流的關(guān)系曲線(xiàn)、輸出電壓和功率的關(guān)系曲線(xiàn)(魏子怡，王雪瑩，2021),如圖3.5-3.8所示，對(duì)比廠(chǎng)家提供的光伏電池特性曲線(xiàn)可知，在數(shù)據(jù)收集時(shí)，本文采用多種數(shù)據(jù)來(lái)源渠道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互補(bǔ)充與驗(yàn)證，同時(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程，減少數(shù)據(jù)采集中的主觀(guān)錯(cuò)誤。通過(guò)該方法簡(jiǎn)化得到的光伏電池的數(shù)學(xué)模型與原模型具有一定的誤差，從這些對(duì)話(huà)中看出當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，本文簡(jiǎn)化模型輸出的電流變化較明顯，當(dāng)溫度變化時(shí)，本文簡(jiǎn)化模型輸出的電壓變化較明顯，但并不影響光伏電池的輸出特性，即開(kāi)路電壓Uoc與溫度呈反相關(guān)與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)，短路電流Isc與溫度和光照強(qiáng)度均呈正相關(guān)，從這些跡象表明驗(yàn)證了本文所提供的光伏電池簡(jiǎn)化模型的可行性和普遍適用性(陳怡然，張語(yǔ)彩甲N-I陽(yáng)上回業(yè)晉鼾業(yè)1三畫(huà)申￥S圖圖3.5和圖3.6分別是在恒定環(huán)境溫度不同光照強(qiáng)度下的光伏電池I-U曲線(xiàn)零開(kāi)始增大時(shí)，光伏電池的輸出電流從短路電流開(kāi)始緩慢減小，幾乎看不出變化，當(dāng)電壓增大到一定值后，輸出電流迅速減小，直到減為零；本文還著重強(qiáng)調(diào)了混合方法的應(yīng)用，即將量化研究與質(zhì)性分析相結(jié)合，以獲取更為全面的研究洞察。光伏電池的輸出功率則是隨著電壓的增大而大幅度增大，最大到達(dá)最大功率點(diǎn)后便開(kāi)始迅速減小，直至為零。由圖3.5可知，在標(biāo)準(zhǔn)溫度T=25℃下，這在一定程度上展現(xiàn)了分別設(shè)置光照強(qiáng)度為700W/m2、800W/m2、900W/m2和1000W/m2,光伏電池的短路電流和開(kāi)路電壓均隨光照強(qiáng)度的增大而變大，成正相關(guān)，但短路電流受到光照強(qiáng)度的影響較大，太陽(yáng)能光照強(qiáng)度對(duì)開(kāi)路電壓的影響較小(鄒晨宇，馬雪琳，2022)。由圖3.6可知，通過(guò)這些細(xì)節(jié)表明每個(gè)曲線(xiàn)都有一個(gè)最高點(diǎn)，該點(diǎn)就是光伏電池的最大功率點(diǎn)，當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，開(kāi)路電壓也隨之增大，光伏電池的最大功率點(diǎn)幾乎垂直于橫坐標(biāo)上移，由此可知，即使光照強(qiáng)度的變化導(dǎo)致了光伏電池最大功率點(diǎn)的變化，但是最大功率點(diǎn)處的電壓值幾乎維持恒定不變≤圖3.7和圖3.8分別是在恒定光照強(qiáng)度不同環(huán)境溫度下的光伏電池I-U曲線(xiàn)下，環(huán)境溫度分別設(shè)置為10℃、25℃、40℃和60℃,隨著環(huán)境溫度的增大，短路電流Isc隨之增大，但增大的幅度比較微小，依據(jù)此理論框架進(jìn)行全面分析可獲知結(jié)果開(kāi)路電壓Uoc隨之減小，變化幅度較為明顯。由圖3.8可知，在標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度S=1000W/m2下，當(dāng)環(huán)境溫度增大時(shí)，光伏電池的最大功率點(diǎn)下移，最大功率點(diǎn)處的電壓減小且變化范圍較大。這不僅有助于剔除隨機(jī)誤差，還能提高研究成果的信賴(lài)度和普遍適用性。另外，技術(shù)手段的發(fā)展水平也對(duì)結(jié)論的核實(shí)過(guò)程產(chǎn)生重要影響，隨著科技的不斷發(fā)展，新的研究工具和技術(shù)手段不斷涌現(xiàn)，為科學(xué)研究提供了更多新的選擇和可能性。本文選取某地區(qū)一年8760小時(shí)的輻照量數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，利用式(3.20)計(jì)算最大功率點(diǎn)處的輸出功率P,具體結(jié)果如圖3.9所示(龔志鵬，張怡然，2022)。選擇24小時(shí)的數(shù)據(jù)作為輸入，從這些記錄中體現(xiàn)可得到光伏電池詳細(xì)的一天內(nèi)的出力曲線(xiàn)，如圖3.10所示。由圖可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力受環(huán)境影響較大，輸出功率與光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度呈正相關(guān)，其中，輻照量的影響更為關(guān)鍵，當(dāng)沒(méi)有輻照量或者輻照條件不好時(shí)，直接影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力。這在一定程度上反映出來(lái)由此可知，雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于輻照的要求并不高，可以利用直射輻射、散射輻射等，但其第四章光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型和特性研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體發(fā)電流程如圖4.1所示，將光伏組件按照容量要求串聯(lián)和并聯(lián)組成光伏發(fā)電陣列，然后由直流匯流箱簡(jiǎn)化線(xiàn)路，將光伏電池輸出進(jìn)行匯流，再通過(guò)直流升壓斬波器提高直流輸出電壓，最后經(jīng)過(guò)逆變器將前面變換輸出的直流電變成交流電，在這種布局下且交流電的頻率電壓等要符合并網(wǎng)的要求，從而并入電網(wǎng)為負(fù)載提供電能(李晨光，張雨彤，2022)。這種設(shè)計(jì)不僅強(qiáng)化了模型的應(yīng)用價(jià)值，也為后續(xù)研究人員提供了一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)，支持他們?cè)诂F(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展。接下來(lái)將介紹除光伏電池以外的其他部分的數(shù)學(xué)模型。箱器4.1.1光伏匯流箱在這種布局里光伏匯流箱的主要組成部分有防雷模塊、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、直流熔斷器、防反二極管等[78]。在手法上本文采納了章教授所提倡的定量與定性相結(jié)合的研究方法為研究提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都安裝在戶(hù)外，所以光伏匯流箱必須進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，保證匯流箱免受雷擊等自然災(zāi)害的影響，從而保證電能的穩(wěn)定輸出。直流熔斷器的額定工作電壓高達(dá)1000V,從這些程序可以發(fā)現(xiàn)硅晶組件的額定電流一般為15A,其作用就是在電號(hào)的光伏電池串聯(lián)成光伏串列，再通過(guò)光伏直流匯流箱本文設(shè)計(jì)的光伏電池方陣容量為1MWp,方陣一共由100個(gè)子陣列組成，每個(gè)子陣列采用2行18列布置，在這等場(chǎng)景中即將18個(gè)規(guī)格為270W的光伏電池由于光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化的影響較大801,為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)采用DC-DC變換器來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，使系統(tǒng)在任波電路，顧名思義，該電路通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空性斬波電路，也會(huì)使光伏電池輸出端出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)電容電壓脈動(dòng)足夠小，產(chǎn)生的線(xiàn)路損耗增多，從這些過(guò)程中看出控制較復(fù)雜(唐考慮經(jīng)濟(jì)性、簡(jiǎn)單性和可靠性等因素，本文選擇采用Boost電路作為DC-DC變當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電源Ui從正極經(jīng)過(guò)A點(diǎn)給電感L充電，然后直接經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管回到電源負(fù)極，從這些分析中證明電流不經(jīng)過(guò)二極管D,所以需要電容C向負(fù)載RL供電。假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大，這樣電感充電電Ui和儲(chǔ)存了能量的電感L產(chǎn)生電能同時(shí)經(jīng)過(guò)二極管D,然后向電容C和負(fù)載RL供電，電容C充電。若開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷的時(shí)間為toff,那么這段時(shí)間內(nèi)電感L放出內(nèi)，電感L在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)一共儲(chǔ)存的能量應(yīng)該等于其在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)一共釋UiI?ton=(U?-Ui)I?toff(4式中，α=ton/T為導(dǎo)通占空比，取0.46。由于T/toff網(wǎng)，所以要通過(guò)一個(gè)逆變電路，即DC-AC變換電路，逆變器的作用便是使升壓DC-AC逆變器的種類(lèi)也有很多，按照換流方式，可將其分為自然換流和外本文選擇電壓型單相全橋逆變電路作為DC-AC逆變器主電路，逆變電路如V?、V?為開(kāi)關(guān)器件，VD?、VD?、VD?、VD4為反并聯(lián)十十2V4CVV432聯(lián)二極管組成，可看成兩個(gè)半橋電路組成，橋臂1(開(kāi)關(guān)管V1和反并聯(lián)二極管VD?)和橋臂4(開(kāi)關(guān)管V?和反并聯(lián)二極管VD?)為一組，橋臂2(開(kāi)關(guān)管V?和反并聯(lián)二極管VD?)和橋臂3(開(kāi)關(guān)管V?和反并聯(lián)二極管VD?)為一組，每導(dǎo)通，各導(dǎo)通180°,輸出電壓uo為矩形波(劉昱辰，鄭馨月，2023),其幅值為其中，基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為：4.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性研究模型，采用Matlab對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬，這用一年8760個(gè)輻照量數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，獲得該系統(tǒng)這一結(jié)論為相關(guān)領(lǐng)域提供了可靠的參考，并為進(jìn)一步的選擇24小時(shí)的輻照量和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，可得到一天內(nèi)的出力曲線(xiàn)，如圖4.5由圖可知，當(dāng)光照強(qiáng)度較大時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)出力較為可觀(guān)，一旦光照強(qiáng)度條件不足時(shí)，則直接影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，因此光伏發(fā)電受到太陽(yáng)輻照資源的限制較大，呈現(xiàn)波動(dòng)性和不確定性，輸出功率不平穩(wěn)，從而將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定性，仍存在改進(jìn)的空間(楊柏林，范婷婷，2023)。通過(guò)跨學(xué)科的合作與交流，本文成功地將多個(gè)領(lǐng)域的理論與方法相結(jié)合，為解決復(fù)雜問(wèn)題提供了全新的視角和解決方案。這在一定范圍內(nèi)顯示了為了研究整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化情況，采用Matlab得到1MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性曲線(xiàn)，如圖4.6、圖4.7所示。由圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度恒定為25℃時(shí)，分別設(shè)置光照強(qiáng)度為700W/m2、800W/m2、900W/m2和1000W/m2,系統(tǒng)的輸出功率隨著太陽(yáng)能光照強(qiáng)度的增大而變大；當(dāng)光照強(qiáng)度恒為1000W/m2時(shí)，分別設(shè)置環(huán)境溫度為10℃、25℃、40℃和60℃,系統(tǒng)的輸出功率隨著環(huán)境溫度的升高而變小(郭紫萱，周俊熙，2022)。這在某種程度上表征由此可見(jiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的輸出功率隨太陽(yáng)能光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)與光伏電池的輸出變化趨勢(shì)類(lèi)似，證明了光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，也驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可行性和普遍性。00第五章總結(jié)(1)簡(jiǎn)要概述了光伏發(fā)電的特點(diǎn)，介紹了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)和國(guó)外幾個(gè)(2)詳細(xì)分析了半導(dǎo)體的基本原理和光伏電池的工作原理，即利用電子和阻無(wú)限大，簡(jiǎn)化了電路，建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；采用(3)確定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為1MWp,對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他部變電路，研究其工作原理和數(shù)學(xué)模型，并用Matlab模擬得到1MWp光伏發(fā)電系[1]《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2018—2020出版專(zhuān)題[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2021,4(01):104.[2]李澤宇，張曉峰，M.B.MCELROY.關(guān)于能源轉(zhuǎn)型分析的評(píng)述(一)轉(zhuǎn)型要素[3]AIE.WorldEnergyOutlook2016[M].InternationalEnergyinternationaledel'énergie:20[4]王俊鵬，劉一凡.中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳減排雙控目標(biāo)的可行性及最優(yōu)路徑一一能源[5]陳星河，趙雨桐.全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)近十年數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].世界石油工[7]張雅靜，周赫連.能源生產(chǎn)和消費(fèi)革