第二章 光伏电池模型及MPPT技术原理.doc

第二章 光伏电池模型及MPPT技术原理 光伏电池是可以将太阳光能转化为电能的电子器件，其输出功率尤其受光照强度、电子器件温度的影响。为了将太阳能最大限度地转化为电能，提高光伏电池的光电转化效率，对光伏电池的最大功率点跟踪则是光伏发电系统的关键技术之一。为了进行最大功率点跟踪，必须对光伏电池的工作原理和特性进行详尽的研究，了解其是如何将太阳光能转化为电能，其转化过程受哪些因素的影响，以及如何提高光电转化的效率。基于此，研究光伏电池的工作特性势在必行。一、 太阳能光伏电池模型1、光伏电池的工作原理光伏电池的基本结构是PN结，当受到外界光照时，PN结会产生电动势，这种现象就称为光生伏特效应。当太阳光照射到光伏电池表面时，一部分光子被反射回去，如光子1；一部分光子会在离PN结较远的地方被吸收，如光子2，它们在复合还原的过程中无法产生电动势；一部分光子因其本身动能较小，在刚进入PN结时，就被吸收，无法产生电动势，而且会使光伏电池本身的温度升高，如光子3；还有一部分光子在射入光伏电池没有被吸收，如光子4；而真正产生电动势的是那些在PN结附近被吸收的光子，如光子5；在PN结内部原子的价电子受到太阳光子的激发产生处于非平衡状态的空穴-电子对，在PN结内部形成势垒电场，此时，我们可以把空穴理解为正电荷，电子理解为负电荷，当空穴-电子对处在势垒电场时，会受到电场力的作用，使得空穴向P区漂移，而电子则向N区漂移，至此，在PN结附近会形成一个与势垒电场相反的光生电场。光生电场的一部分与势垒电场相抵消，另一部分则使得P区带正电，N区带负电，而在P区和N区之间，就产生了电动势，只要在外部接上负载，便可以向负载输出直流电，形成一个小小的直流电源，使负载获得电能。以上的整个过程就是光生伏特效应，而这同样也是光伏电池的基本工作原理。 图2-1 PN结受光照激发空穴-电子对图 图2-2 光伏电池的光生伏特效应图 2、光伏电池模型 光伏电池模型有两类，一类是物理模型，另一类是外部特性模型。物理模型比较复杂，主要通过仔细研究光电转换的过程来实现。外部特性是指通过分析其运行特性，来得出一个等效的模型电路。基于上述，光伏电池是利用光生伏特效应的原理而制成，PN结是光伏电池的核心部件，每一个小的光伏电池单元的外特性模型可以看成是一个恒流源与一只正向二极管的并联，这种形式被称作是光伏电池的单二极管形式，如下图（a）所示。在此基础上，为了更好更精确地反映光伏电池的非线性特性，还会把它看做一个恒流源与两只正向的二极管相并联，这种形式称为光伏电池的双二极管形式，如下图（b）所示。 图2-3 光伏电池的等效电路图2-3中，Iph表示光伏电池内部的光生电流，与光伏电池的采光面积、太阳光的入射强度成正比；ID表示光伏电池内部的暗电流，反映在当前环境温度下，光伏电池PN结的总扩散电流变化情况，是指在没有光照的情况下，光伏电池在外电压作用下，PN结流过的单向电流；IL表示光伏电池输出给外部负载的电流；UD表示等效二极管的端电压；Uoc表示光伏电池的开路电压，它与入射光的光照强度的对数成正比，与环境温度成反比，与光伏电池的采光面积大小无关；RL表示外部负载电阻；Rs表示光伏电池内部等效串联电阻，大小一般不超过1k，主要由光伏电池的体电阻、PN结扩散层横向电阻、电极导体电阻、与硅表面间接触电阻、线路导体电阻等组成；Rsh表示光伏电池内部等效旁路电阻，大小一般为几千欧，由光伏电池外表面污浊、半导体晶体缺陷引起的漏电流对应的PN结的泄露电阻、光伏电池边缘的漏泄电阻等组成。 3、光伏电池的伏安特性与电阻效应 （1）伏安特性光伏电池的电压-电流关系曲线称为光伏电池的伏安特性曲线。如图2-4所示，光伏电池的短路电流Isc是伏安特性曲线与电流轴的交点，而开路电压则是伏安特性曲线与电压轴的交点。由电功率P=UI可知，当P一定时，可以在伏安特性曲线图上作出几条等功率曲线，其中必有一条曲线与光伏电池的伏安特性曲线相切，而切点就被称作为光伏电池的最大功率工作点M，该条功率曲线就是光伏电池的最大输出功率曲线，Im电流值称为最佳输出电流，Um电压值称为最佳输出电压，而Im与Um所围的矩形面积即为伏安特性曲线所能包围的最大面积，通常称作光伏电池的最大输出功率Pm，从原点到M点的直线被称作最佳负载线（RL=Rm）。 图2-4 光伏电池的伏安特性曲线 （2）电阻效应光伏电池的特征电阻就是电池在输出最大功率时的输出电阻，如图2-4所示的M点。如果外部的电阻大小与光伏电池的电阻大小相等，则电池的输出功率达到最大值，即光伏电池工作在最大功率点。光伏电池的电阻效应降低了光伏电池本身的发电效率。常见的寄生电阻为上述所提到的串联电阻Rs和并联电阻Rsh。串联电阻对光伏电池的伏安特性曲线在最大功率点附近的形状有较大的影响，并且随着串联电阻的增加，光伏电池的效率近似呈指数衰减。并联电阻对光伏电池造成的功率损失通常是由于其本身的制造工艺缺陷而引起，由于并联电阻的分流作用，使得流过PN结的电流减小，同时光伏电池的电压也随之降低，尤其在光照强度很弱的时候，并联电阻的存在，使得光伏电池的电流很小很小，对光伏电池的影响非常大。二、MPPT技术1、影响最大功率点的因素光伏电池的输出特性受很多因素的影响，例如：光照强度、环境温度、负载状态等都会使光伏电池的输出特性发生明显的变化。诚然，光伏电池在不同条件下的最大功率点的位置也会有不同的变化。图2-5表示在环境温度为25时，光照强度对光伏电池的电压（U）-电流（I）特性的影响；图2-6表示光照强度为1000W/时，不同的环境温度对光伏电池电压（U）-电流（I）特性的影响。 图2-5 不同光照（25） 图2-6 不同温度（1000W/）从图2-5中可以看出，在一定的环境温度下，电压（U）-电流（I）特性曲线会随着光照强度的增加，光伏电池特性曲线近似整体向上平移，可以看出，短路电流Isc随着光照强度的增强而明显增大，而开路电压Uoc则随着光照强度升高略微增大。从图2-6中可以看出，在一定的光照强度下，随着温度的升高，光伏电池的开路电压Uoc向左偏移，可以看出，温度对开路电压Uoc有显著影响，而短路电流Isc则受温度变化影响不大，只是略有增大。图2-7表示在环境温度为25时，不同的光照强度对光伏电池功率（P）-电压（U）特性的影响；图2-8表示在光照强度为1000W/时，不同的环境温度对光伏电池功率（P）-电压（U）特性的影响。 图2-7 不同光照（25） 图2-8 不同温度（1000W/）从图2-7可以看出，在一定光照强度下，光伏电池的功率（P）-电压（U）特性曲线存在一个最大功率输出点，在该点左边区域，光伏电池的输出功率随着输出端电压的升高而升高，而在该点的右边区域，输出功率随着端电压的升高而降低。在不同的光照强度下，随着光照强度的增加，输出功率（P）-电压（U）特性曲线，近似整体向上平移。从图2-8可以看出，在一定的光照强度下，随着温度升高，光伏电池的开路电压向左平移，说明温度对光伏电池的特性曲线有显著的影响，而特性曲线在最大功率点左边的线性区域受温度的影响变化甚微。另外，从图2-5、图2-6、图2-7、图2-8中的四组特性曲线可以看出，光伏电池的开路电压Uoc、短路电流Isc也会受到光照强度和环境温度的影响。其中，开路电压Uoc随着温度升高而明显降低，而短路电流Isc则随着光照强度的增加而明显增加。2、 MPPT过程 由上述分析我们知道，光伏电池的输出特性呈非线性特征，而且受光照强度、环境温度影响很明显。但在每一个特定的光照强度和环境温度下，光伏电池都有一个特定的最大功率输出点。当光照强度和环境温度一定时，光伏电池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化。从理论上来讲，当光伏电池与负载完全匹配时，负载的伏安特性曲线与光伏电池的最大功率点轨迹曲线即可缓慢地重合，使光伏电池处于高效率的输出状态。但在实际应用时，很难满足上述完全匹配的条件。因此。为了提高光伏发电系统的整体效率，有一个很重要的途径就是实时变更光伏系统的负载特性，也就是实时调整光伏电池的工作点，使其能在不同的光照强度和环境温度下始终让光伏电池工作在最大功率点附近，而以上的过程就是光伏电池的最大功率点跟踪技术。为了在诸多的影响因素下有效地利用光伏电池，使其发出更多的电能，输出最大的功率，通常情况下需要在光伏发电系统中加一个MPPT控制策略或者算法，从而实现负载与光伏电池的最佳匹配。图2-9是一个带有MPPT功能的光伏发电系统的结构原理图。 图2-9 带有MPPT功能的光伏充电系统结构原理图现在讨论在一定的光照强度下时，光伏系统MPPT控制过程及原理。以图2-10为例，从图中我们可以看到有两条在不同的光照强度下光伏电池的输出特性曲线1和曲线2。在最初的光照强度条件下，光伏电池的输出曲线为曲线1，负载的曲线为为1，光伏系统此时工作在最大功率点A1处，满足光伏电池在最大功率点的工作条件。当减少光照强度时，光伏电池的输出特性曲线降为曲线2。如果维持原有的负载1不变，光伏电池的工作点会移至A2点，偏移该光照强度下应处的最大功率点B1。此时若想让光伏电池追踪最大功率点B1，则应将系统的负载1改为负载2。同样的道理，如果让系统稳定在最大功率点B1之后，光照强度再次加强，使光伏电池的输出曲线由曲线2又回至曲线1，则此时系统的工作点相应地会自动由B1变化至B2。此时就要将负载2改回至负载1，使光伏系统在光照强度加强的情况下，再次变更工作点，使系统在新的条件下运行在最大功率点A1。以上从A1工作点到B1工作点之间的往返跟踪过程，称为MPPT控制。 图2-10 MPPT控制过程示意图 由此，光伏发电系统中的MPPT控制就是实时检测光伏电池的输出功率，再经过特定的算法，预测当前工作条件下光伏电池可能的最大功率输出点，最后通过改变当前的负载阻抗大小、光伏电池的输出电压、输出电流等方式进行最大功率点跟踪。如此一来，不管外界的光照强度、环境温度的变化，还是光伏电池内部的温度变化使得光伏电池的输出功率减少，光伏系统都可以实时地根据当前变化，来调整自身的工作状态，使其达到最大功率输出，进一步提高光伏系统的发电效率。