单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究硕士学位论文1.doc

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1、天津理工大学研究生学位论文单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究（申请硕士学位）Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Masters Degree The Study of grid-connectedPhotovoltaic systemBased on MATLAB Simulation ByBian CeSupervisorProf. Wang Yun-liangJanuary, 2014独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，

2、论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期：

3、 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要随着我国全年国内生产总值的不断提高，对不可再生能源的依赖明显过度。目前，能源危机问题日益明显，所以，新型能源的应用受到了越来越多的重视。其中，太阳能的可再生性以及清洁性等特点使其备受世界各国的关注，光伏并网系统也成为新型能源开发领域的一个重点发展方向。本文从提高光伏系统并网稳定性的角度出发，对光伏并网发电系统中的电池特性、逆变器控制策略、孤岛检测等问题开展了深入研究。本文首先对光伏并网系统的背景及意义进行了介绍，对光伏并网系统的构成及应用进行了分析。之后，在MATLAB/SIMULINK环境下对模型进行了仿真，分析光强和温度对其输出的影响。然后，对目前常

4、用的几种光伏并网控制策略进行了介绍，在进行比较后得出：使用电网电压前馈和锁相环技术的复合控制效果更为理想，并且在MATLAB环境下的总谐波畸变率更小；另外，研究了并网系统在孤岛效应下的影响问题，对常见的孤岛效应检测方式进行了改进，缩短了反应时间，提高了并网系统的可靠性。关键词：太阳能 光伏并网 MATLAB仿真 逆变 孤岛效应AbstractWith the continuous improvement of the annual gross domestic product (GDP), China has an excessive dependence on non-renewable e

5、nergy obviously. The energy crisis has become increasingly apparent at present. So, the application of new energy has been more and more attention. Among them, solar energy has attracted many attentions of the world by its characteristics such as renewable and clean. Photovoltaic (PV) grid-connected

6、 system has become a focus in the field of new energy development. In order to improve the stability of the PV grid-connected system, this article has carried out in-depth study on the battery characteristics of PV grid-connected power generation system, inverter control strategy and the island dete

7、ction problem.Firstly, this paper introduced the background and significance of PV grid system. The composition and application of PV grid-connected system are. Then the PV cell model was simulated in the MATLAB/SIMULINK environment, the effect of light intensity and temperature on the output was an

8、alyzed. Afterwards several kinds of PV grid-connected control strategies were introduced. After comparison we concluded that: the compound control strategy, which based on the combination of phase-locked loop (PLL) technique and feed-forward control of voltage, shows a better effect and the total ha

9、rmonic distortion (THD) was reduced. In addition, the influence of grid-connected system has been analyzed under the islanding issues. The common way of islanding detection was improved. The reaction time was reduced; the reliability of the grid-connected system was increased.Key words: solar power,

10、 PV grid-connected, MATLAB simulation, inverter, islanding目 录第一章绪论11.1 本课题研究背景与意义11.1.1 当今社会的能源现状11.1.2 太阳能资源及特性11.1.3 太阳能源的利用方式21.2 光伏发电发展现状和前景31.2.1国外发展现状及前景31.2.2国内发展现状及前景41.3 本文研究的主要内容6第二章光伏发电系统和光伏电池72.1 光伏发电系统概述72.1.1光伏发电系统构成72.1.2光伏发电系统分类及应用82.1.3光伏发电系统的主要研究问题92.2 光伏电池的工作原理述102.3 光伏电池输出特性112.3

11、.1光伏电池等效电路112.3.2光伏电池的输出特性132.4 光伏电池的建模与仿真研究152.5 本章小结19第三章光伏并网逆变器主电路研究与设计203.1 光伏并网逆变器拓扑结构203.1.1非隔离型并网逆变器203.1.2隔离型并网逆变器213.2 并网逆变器的技术指标223.3 光伏并网逆变器主电路设计233.4 输出滤波参数设计253.4.1 调制方式的确定253.4.2 LC参数设计263.5 本章小结28第四章光伏并网逆变器控制策略的研究294.1 并网系统的电流控制策略294.2 基于电网电压前馈和锁相环技术的复合控制策略304.2.1 电网电压前馈控制304.2.2 PI控制

12、314.2.3 锁相环技术334.3 并网逆变器的仿真与分析354.4 本章小结39第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测405.1 孤岛效应405.2 孤岛检测标准425.3 孤岛检测方法435.3.1 被动检测法435.3.2 主动检测法435.4 孤岛检测的仿真研究455.4.1 AFD算法的具体实现455.4.2 AFD的仿真研究465.5 本章小结50第六章 结论与展望516.1工作总结516.2未来工作展望51参考文献52发表论文和科研情况说明55致 谢56第一章 绪论1.1 本课题研究背景与意义 现代社会，能源，作为一种必不可少的发展动力来源，一直被大量消耗着。从平时生活中的水、电、

13、气到人类所需求的娱乐、通信、交通都和能源保存着密切的联系。而在当今社会科技飞速发展的前提下，现有能源已不能满足社会的需求。尤其石化能源的不可再生性与开发、利用环节中所产生的污染问题日益严峻，已经成为了制约社会发展的主要瓶颈。为了推进人类世界的发展，改变能源结构，开发利用新型能源成为了解决未来世界对能源需求的必经之路。 而太阳能，作为一种接近无限量的新型能源，其在开发和利用的过程中具有清洁、安全等特点，成为了不可再生能源的主要替代品1。开发利用光伏能源的形式有很多，其中光伏并网发电系统作为倍受人们关注的形式之一，应用领域十分广泛2。所以，对光伏并网发电系统开展深入而广泛的研究，对于促进环境保护、

14、解决能源危机以及帮助人类社会经济的稳定发展等都具有重大而深远的意义3。1.1.1 当今社会的能源现状根据美国石油协会统计结果表明，整个地球上的原油可供给人类开采时间不超过95年，而且在2050年之前，全球的社会发展还是主要由煤炭支撑，以后的两三个世纪里，这种资源也会面临消失，矿物化石燃料供应将面临枯竭4-6。同时，随着我国近几十年工业化进度加快，将会使得能源消耗量持续增加，可以预见的是，我国将在不远的未来面临传统能源濒临枯竭的现实7-8。因此，我们应加快寻求新型替代能源的脚步，尽快改善并扭转我国能源日益匮乏的状况。在人类社会来到缺乏能源的时代，由于以往进行经济发展的时候使用了很多污染性燃料，其

15、生成的污染性气体等引起了许多不好的结果，例如一直加剧的世界气候变暖、极低融化、酸雨的产生等一系列自然灾害，使得人类赖以生存的地球遭到严重的破坏9。由此可见，在全世界传统能源日益减少的同时，生态环境的破坏后果却日益突出。所以，在环境不断恶化和能源濒临枯竭的背景下，寻找没有污染的新型能源已是迫在眉睫。1.1.2 太阳能资源及特性太阳能源是由太阳光的辐射传送到地球的，其中大概只有二十二亿分之一的能量可以到达地球范围，大概有1.73106 亿千瓦。这中间再经过大气的吸收、反射，大约会有百分之五十一到达地表，大概为8.8105 亿千瓦。其中，可以到达陆地表面的能量，仅剩百分之十，大约为1.7105 亿千

16、瓦。尽管所剩能量比如此之少，但是如果能够把这些太阳能利用起来，仍然等同于全球目前消耗总能量的3.5万倍，可以说是取之不尽、 用之不竭。和煤炭、石油、天然气等燃料相比，太阳能源不仅总量丰富，而且在整个开发利用的过程中也不会破坏现有的生态环境，它拥有以下几项主要优势10：（1） 存在广泛。不一样的地理位置、不同的气候会对太阳能的辐射造成不同程度的影响，但是，太阳能源对于我们地球上的大多数地区都具有着普遍性，可以进行就地取用。光伏能源利用前景相对较好的地区约占我国领土总面积的三分之二。（2） 储量无限。太阳是一颗年轻的恒星，相比于人类存在的时间来讲，它可以供给我们能量的时间基本上是无穷的，这样，就从

17、根本上解决了传统能源的匮乏问题。（3） 利用清洁。煤炭、石油等化石燃料的使用过程中，会放出很多有害物质，污染环境。而在开发利用太阳能源时不会生成污染大气的物质，是比较理想的绿色能源。（4） 利用经济。太阳能源的经济型需要从两个方面来看待。一是太阳能源就地可取，无需“缴税”，更可以接近负载，减少输配电网络的传输损耗。另一方面，虽然在目前的科技基础下，需要投入很大资金，但是随着科技的发展，相信在不久的将来，人类能实现太阳能源的技术突破。1.1.3 太阳能源的利用方式太阳能源具有多种利用方式，主要类型有以下几种方式，见表1-1所示11。表1-1 太阳能源利用方式一览表1.2 光伏发电发展现状和前景1

18、.2.1国外发展现状及前景自从埃德蒙贝克勒尔研究出“光伏效应”到现在，太阳能发电历经了迅猛的发展，从实验室探索到后来在实际中的大量应用，光伏发电在以不可思议的速度拓展着自己的应用领域。如表1-2所示 12，13。表1-2 光伏技术的发展历史简表目前，世界上的各个国家对该领域的研究都抱着极其重视的态度，并且不断的扩大着光伏发电的市场占有量。在未来，有国内外专家们预测，到二十一世纪的二十年代和三十年代，光伏发电的全世界装机总容量将会成倍增长，达到大约125GW和920GW。由此可以预见到，光伏能源会在不远的未来，由候补能源转向替代能源14。1.2.2国内发展现状及前景在上个世纪后期，我国逐渐实施各

19、个地区和各个工程的光伏系统建设。2002年，在西部启动的“无电乡通电计划”中，进行架设了总共16.5MW的光伏发电系统，这些光伏发电设施为大约八百个乡解决了供电问题，是一个了不起的成就。新世纪以来，我国的光伏发电产业快速增长，在当前阶段，随着光伏电池的造价持续降低，并且全国政府颁布的许多支持其发展的条令，使我国的太阳能产业正在迅速的成长，预计大约在2020年之前，太阳能发电将由独立型发电系统转向并网型，并且到2020年左右我国的光伏发电技术有望与世界先进水平看齐15。表1-3列出了我国太阳能发电技术的研发情况14。表1-3 我国太阳能发电技术的发展历史简表对于光伏发电产业的发展速度起决定性作用

20、就是光伏电池的发展，光伏电池自从在实验室被研究、发现到如今被大量应用，无论是其光电转换的效率，还是其在材料制备方面的类型，均正处于不断发展进步中。在当前阶段，有一部分光伏电池开始进行了商品化的生产，它们主要分为：非晶硅电池、单晶硅电池和多晶硅电池，其中，单晶硅电池的转化效率最高，可达到约百分之二十左右，但是其制作成本较高；而多晶硅电池的转化效率达到约百分之十四左右；最后，非晶硅电池转化效率最低，仅有百分之六左右，但是其制作成本相应的也最低。而研制光伏电池的最首要目的，就是为了让其尽快融入到我们的社会里来，早日形成应用产品，所以，首先要想办法解决的，就是它的制作成本。为此，越来越多类型的光伏电池

21、正逐渐被研制出来，例如薄膜型、聚光型、碲化镉、铜铟硒、砷化镓、染料敏化光伏电池等。同样的在我们国内，也逐渐开始出现很多制作光伏电池的厂家，这些厂家的生产规模正在迅速扩大，其中有几个厂家已经在市场中占有了一席之地。基于太阳能的几大优势与发展前景，我国也在该领域中投入了大量的资金，而在另一方面，许多大型的企业也在太阳能光伏发电领域投入大量的资金。总之未来十几年里，光伏发电技术及产品将在我国开始步入高速发展的阶段16。1.3 本文研究的主要内容光伏并网系统的两个核心设备就是光伏阵列和并网逆变器，它们一个是太阳能与电能的转换装置，一个是电能与电网的接口装置，它们都决定着太阳能的利用率。本文以光伏并网系

22、统（单相）为例，对光伏组件、逆变器以及孤岛效应等进行了仿真分析，各章主要内容如下：（1）第一章绪论，主要对论文的背景及意义作了介绍，包括目前世界能源的现状和太阳能源的不同特性，并对其世界范围内的研究情况与发展进行介绍。（2）第二章光伏发电系统和光伏电池，介绍了光伏并网发电系统的各个组成部分，并叙述了各个组成部分的功能，接着，介绍了光伏电池最基本的电路原理，对于它的等效模型进行了研究，并且在本文中使用普通函数法在MATLAB/SIMULINK环境中搭建了仿真模型，并对仿真结果进行了分析。（3）第三章对光伏并网逆变器主电路的进行了构建，介绍了其不同类型的拓扑结构，并对主电路中各个部分的器件参数进行

23、了计算，得出了相应的理论值。（4）第四章对逆变器的几种控制方法进行了描述，将有关的控制策略进行了结合，提出了基于锁相环技术和电网电压前馈控制的复合控制策略，之后在MATLAB/SIMULINK环境中建立了并网系统的仿真模型进行仿真分析。（5）第五章介绍了光伏并网发电系统中的另一个重要组成部分孤岛检测。对孤岛检测的各种检测方法做了分类和对比，选用了其中的AFD算法加入正反馈，并且和本文系统中的锁相环技术相配合，在MATLAB/SIMULINK环境中建立了孤岛检测的仿真模型进行仿真分析。 （6）第六章为本文的总结与展望，对本文的研究内容与获得成果进行了总结，之后提出了待改进的部分和未来的发展。第二

24、章 光伏发电系统和光伏电池2.1 光伏发电系统概述光伏发电系统是指利用光生伏打效应制作而成的光伏阵列将太阳能源转化为电能并对该能源进行分配处理的系统。2.1.1光伏发电系统构成在通常情况下，光伏电池、主控装置、。蓄电池再加上附近的用电设施等等组成了一整套太阳能发电系统17，18，它们的具体结构如图2-1所示。图2-1 光伏发电系统的构成图（1） 光伏阵列所谓的“光生伏打效应”其实是指当发电模块吸收太阳能源之后，该物体内的实现导电功能的载流子会改变其布局情况和密度，产生电动势和电流，以此来实现光电转换，继而输出直流电。所以，获得太阳辐射能量的入口便是光伏电池，它是光伏系统最重要的组成部分，它的成

25、本高低和转换能量的多少都对光伏发电的发展起着决定性的作用。（2） 蓄电池光伏电池会随着光照强度的变化而产生变化的输出功率。在太阳能电池处于阳光照射下时，所能吸收的能量较多，进而生成电能的效率也会处于一个较高的水平，一般在这时，除了附近的用电设施所能消耗掉的电能外，还可以产生一部分多余的能量进行存储，而这一部分多出的能量既可以在太阳能电池无法接收到日光照射时，作为辅助能源供给附近的用电设施，这就是其所拥有的优势。当然，光伏发电系统也有其先天的劣势，那就是太阳能电池输出的不稳定性较强，如果直接连接负载，会导致其使用寿命缩短，如果加上蓄电池，便能保证其输出相对稳定的直流电。当前，在光伏发电系统中，光

26、伏阵列的成本正在持续的降低，所以，在对光伏系统的蓄电池进行选择时，应着重考虑在成本上相对实惠的，在日常工作的维修护理方面相对简单的，并且尽量保证能够正常使用的年限要长，这样才能够使整个系统在运行的过程中保持稳定、高效。在当前环境下，铅酸蓄电池还是整个市场的主力军，生产铅酸蓄电池的成本大概是光伏发电系统总投资的四分之一到二分之一19，仍然是一个较高的比重，而且在使用过程中如果出现管理不当的情况，将会造成蓄电池不正常供电，缩短它的使用年限，这样，在正常运行时就会容易出现很多问题。所以，拥有一个优秀的控制方案是太阳能发电系统中扮演着非常重要的角色。（3） 控制器系统的控制装置主要是图2-1框中几个环

27、节，它的主要功能是对光伏并网发电系统的最关键部分进行控制，把该环节内部的各个电子器件进行协调，是整个系统在工作状态时保持稳定。在新世纪里，随着智能化的不断发展，各个领域的计算机技术、电力电子以及智能控制都处于一个高速发展的状态中，作为太阳能发电系统的控制装置，也逐渐开始使用具有多种性能特点并且具备智能技术的设备20，其中出现了许多新的功能，比如有能够采集和处理多路模拟信号，有对误差实现主动分析等等诸多从前没有实现过的功能特点，通过这种方式来达到在线检验及控制的目的等。蓄电池控制主要是对输出电流与输出电压进行调节，实现对蓄电池不同状态下的控制。直流电变换控制，主要是由于太阳能电池的工作电压与负载

28、或者逆变器所需要的电压不同，所以需要对其输出的电压进行控制，以达到系统使用的标准。逆变控制，由于光伏阵列所发出的电能为直流电，在进行并网运行或者是为交流负载供电时，就需要用逆变器把直流电变成交流电。逆变器控制在并网发电系统中的作用是尤为关键的，其一，它可以使光伏阵列产生的直流电得到优化，提高效率；其二，它可以联系公共电网，保证光伏发电系统并网运行的可靠性。本文将在后面的章节对逆变器的控制进行更为深入的研究。2.1.2光伏发电系统分类及应用光伏发电系统主要分为以下三大类21，22，23：（1） 独立运行的光伏发电系统独立光伏发电系统是独立运行的装置，实际中又可以被称为离网型系统。该系统在一般情况

29、下都搭设在运输不通，很少有人生存的地方，或者，应用在一些具有其特殊要求地段，它输出的能量只提供给本地的交流负载。离网型光伏发电系统主要有光伏阵列、DC/DC变换电路、蓄电池组件、控制器、逆变电路和交直流负载几个部分构成。DC/DC变换电路是根据实际需要对光伏阵列的输出进行相应的升降压变换，蓄电池组件将负载使用剩下的电能进行存储，在光照强度不足时使用。逆变电路负责对光伏阵列生成的直流电能进行DC/AC变换，生成交流电供给后面的交流负载使用。（2） 并网运行的光伏发电系统并网型光伏发电装置是与电网相连的，它需将光伏阵列输出的电能转化为符合国家并网规定的交流电。并网型光伏发电系统的构建是当今社会的主

30、流趋势。目前，全世界新增加的光伏发电系统中，并网型发电系统占据了绝大多数的市场，在很多发达国家如德国、日本，他们在近年来增加的光伏系统几乎都是并网型的。目前，并网型光伏发电系统依据它们所具有的不同功能特点一般归纳成两种：第一种是不含蓄电池组件的“不可调度并网发电系统”，该系统在公共电网断电时，将自动停止向电网供电。在系统提供的能量大于本地用电设施所要的电能时，将多余的输给电网，其他时间，公共电网则向本地负载提供电能；另外一种是拥有蓄电池组件的“可调度并网发电系统”，它的系统中配置有储能环节，在公共电网断电本地发电系统供给不足时，能提高本地负载的用电可靠程度，并且蓄电池组件可以为逆变器提供相对平

31、稳的直流母线电压，减少系统在动态天气环境下所产生的波动。但是相应的，可调度并网发电系统由于增加的储能环节，也为其带来的一些明显的缺点，一个是造成了系统体积以及重量的增加，这会导致安装和调试的不便，另外一个就是目前所生产的蓄电池组件寿命普遍较短，定期更换蓄电池则会导致系统运行成本的增加，而且在正常运行时，整个系统需要进行的维护工作也会变得复杂。（3） 混合运行的光伏发电系统该系统是指把光伏发电系统和其它不同种类的产能系统依据在实际情况中不同的需要、各自的优点以及能涉及到的条件相互组合而成的系统。2.1.3光伏发电系统的主要研究问题（1） 最大功率跟踪控制方式在外部环境以及内部器件的影响下，光伏发

32、电系统的输出功率曲线呈现出非线性函数的特点。而当外部环境稳定时，光伏发电系统有且只有一个最大功率输出电点。最大功率跟踪控制方式有许多种。另外，在当前还经常在最大功率跟踪控制器中加入许多新的控制算法，比如滑膜控制、模糊控制、神经网络控制等等，也取得了一定的效果。上述各类方法均存在着相应的优缺点，因此，如何使光伏系统更便捷、更稳定的工作在最大功率点，在目前仍然是一个研究热点。（2） 逆变器并网控制方式随着太阳能发电技术的广泛应用，并网型光伏发电系统已经成为主要的发展方向，如何成功实现光伏发电的并网，逆变环节是最为关键的。在IEEE提出的标准中，对逆变技术有着严格的要求，所以，在不对公共电网造成污染

33、的同时，提高并网电流质量的控制策略研究也是目前全世界的研究重点之一24。本文将在第四章对该问题进行深入的研究。（3） 孤岛效应孤岛效应（Islanding Effect）是指公共电网突然失压时，并网型光伏发电系统仍保持着对电网中临近的部分线路供电状态的一种效应25。在该种状态时，光伏发电系统和系统附近的交直流负载会产生一公共电网无法对其进行有效掌控的自供电孤岛，如果此时正在进行公共电网的检修，那么则会对检修人员和用电设备造成严重的后果。因此，系统必须要迅速检测到孤岛效应并及时断开。本文将在第五章对该问题进行详细的研究。2.2 光伏电池的工作原理述光伏阵列就是将太阳能源进行转化得到电能的器件，它

34、的材料是由两种物质组成的半导体融合成为一体的P-N结26，其基本原理为半导体器件的光伏原理。所谓的光伏原理，是指当光伏阵列吸收到太阳光照之后，其内部的电荷分布将会发生改变，由此来产生电能27。在各种不同状态的物质之中都能够发生光伏原理，相比而言，在半导体器件中，这种现象的发生效率是最高的28。如图2-2所示。图中代表的大气中辐射到光伏阵列的表层而反射回去的太阳射线；表示刚来到物体表层便被吸收并生成电子-空穴对的太阳射线，它们的强度并不足以生成电能；代表的是能够接近P-N结而被接受并产生电子-空穴对的太阳射线，该类射线是可以让光伏阵列产生实际电能的；代表深入到光伏电池片底部的太阳射线，其中，只有

35、极少可以形成电能；代表被光伏阵列吸收的太阳射线，它们并不足以形成电能，反而会导致光伏阵列的升温；代表直接穿透光伏电池并且没有被吸收的太阳射线。总体来讲，只有被反射回去的那部分太阳射线对光伏电池的发电构不成有效影响，所以，绝大多数光伏阵列的表面都铺着防反射层。并且在P-N结周围区域的太阳射线都是对电池的发电有效果的，所以，在上面分析的基础上得出，努力提高有用的太阳射线的数量，就可以使光伏阵列的实际工作效率得到明显的改善。图2-2 光伏阵列工作示意图在进行实验时，把P型半导体与N型半导体进行合并，就会使它的周边出现一个内建电场。此时，那些处于P-N结周围的太阳射线被光伏阵列接收并且进行转化之后，其

36、会让电子跃迁到一个能量更丰富状态，这样就会使电子摆脱束缚，出现电子-空穴对。除此之外，在势垒电场的影响下，。光伏阵列中的电子将会涌向N型区，空穴将会涌向P型区，这样，便形成了所谓的光生电场。由于带电的正负极相反，光生电场会被势垒电场所消耗一部分。在光伏阵列的两个区域内会有电动势，我们称这种情况下产生的为光生伏打电动势。如图2-3所示，这即是光伏发电的基本原理29。图2-3光伏发电原理示意图2.3 光伏电池输出特性2.3.1光伏电池等效电路由于光伏电池的输出的非线性，在对其进行分析时需要将其转化成相应的等效电路，图2-4给出了光伏阵列的等效电路，这其中把各种电阻都加入从而进行考虑，相对更实际，可

37、以说光伏阵列较为普遍的三类等效模型中的最接近模型就是它。当我们忽略掉元件中的内阻时，它便是一种不合符实际的模型，整体简单，虽然能够为理论研究提供很多便利，但是这种模型不能对阵列的影子效应进行合理的呈现30，所以，在我们日常的使用时，为了更真实的剖析其所隐藏的难点，最先考虑的是这种更繁杂的等效电路模型。图2-4 光伏阵列的等效电路图对上图进行分析如下：（1） 光生电流Iph：等同于短路电流Isc，它的值等于标准环境（电池温度T=25，照度R=1000W/m2）下将负载端进行短接后，流过的电流。总共有三个因素可以影响到它的大小，包括工作温度T、光照强度R和面积。（2） 串联电阻Rs：主要由光伏电池

38、的体电阻等电阻构成。在理想情况下，其值很小。（3） 并联电阻Rsh：又被称作旁漏电阻，它形成重要原因是由于光伏阵列材料的周围在生产过程中出现的污秽，由此而造成了漏电、电池内部的不足或者耗尽区内的多种电流共同导致的31。在没有其它干扰时，他会生成一个较高的数据。（4） 暗电流Id：在光生电流中会有分流经过负载,此时，负载两侧的电压U将会正向偏置PN结的二极管，产生和光生电流方向相对的Id。据图2-4，得出，输出电流I和输出端负载RL的端电压U关系式为： （2-1）整理后得到： （2-2）而旁路电流Ish可表示成： （2-3）将上式进行整理后得到： （2-4）其中 （2-5） （2-6）式中： I

39、光伏电池的输出端流经负载的电流，单位为A； U光伏电池输出端电压，单位为V； Iph光生电流，单位为A； Io流经二极管PN结的反向饱和电流，单位为A； q电子电荷，其值约为1.602210-19C； APN结的理想因子（正偏电压大时A=1，小时A=2）； K玻耳兹曼常数，其值为1.3810-23J/K； T绝对温度，其值为t+273，单位为K； Tref参考温度, 其值为25+273，单位为K； Eg禁带宽度电压，1.13e V； CT短路电流的温度系数，其值为0.0016A/K;由于光伏电池输出的负载端电压U为 （2-7）所以，光伏电池的输出功率P为 （2-8）考虑到理想情况下，Rs趋近于

40、零，Rsh趋近于无穷大，A=1，则式（2-4）变成： （2-9）当I=0时，得到光伏电池的开路电压Uoc为 （2-10）当光照较为强烈时，Ish=（U+IRs）/Rsh小到可以忽略，此时，光伏电池的输出电流I为： （2-11）输出功率P为 （2-12）2.3.2光伏电池的输出特性我们从光伏电池的等效电路图就可以看出，光伏电池，它并不是一个恒定的电压源，同时，它也非恒定电流源，他的输出特性曲线显示着很大程度上的非线性，当负载RL从零点一点一点的变大时，依照式（2-11）及式（2-12）即可描绘出光伏阵列的负载特性曲线32，如图2-5，其主要影响因子有两个，它们分别是太阳的光强R和周围温度T，有I

41、=F（U,R,T）以及P=F（U,R,T）。 图2-5 光伏电池的输出特性曲线图在这幅图里面，所描绘出的曲线上的各个点我们都可以把它叫做工作点，这些点所对应的坐标既是它们的工作点参数。在负载的两端的电动势U=0时，表示的就是负载出现短接的情况，这个时候光伏阵列的流出电流大小就等于短路电流Isc。在负载两端的阻值到达Rm时，表示的在图中曲线的一点Um，和Um点所对的电流Im，它们的积UmIm实现一个最值，就是Pm,这个点所标示的意义被称为光伏阵列的最佳工作点，同时也叫做最大功率点。以下是光伏阵列的建模所需要的部分参数 33：（1）短路电流Isc：在确定环境下的最大输出电流（2）开路电压Uoc：在

42、确定环境下的最大输出电压（3）最大工作点电压Um和电流Im：当系统处在在最佳工作点处的的电压和电流（4）最大工作点功率Pm：当系统处在确定环境下的最佳工作点相对应的最大功率，Pm=UmIm（5）光伏电池效率： （2-13）式中： At光伏电池的总面积（包括栅线在内）； Pm单位面积内的入射光功率，其值为 （2-14） FF光伏电池的填充因子（6）光伏电池填充因子：它是光伏阵列的一个非常重要参数，它主要反映产品质量。如若填充系数越大，它输出的特性曲线则会更加接近一个正方形，在这个时候的转换效率较高，其大小表示为 （2-15）2.4 光伏电池的建模与仿真研究本文采用了两种方法建立了光伏电池的模型，

43、它们分别是基于物理原理的基本解析表达式法以及普通函数法。（1） 基于物理原理的表达式法34,35根据式2-4所表达的光伏阵列输出I=F(U,R,T)，对其进行数学建模。 （2-16）其中 （2-17） （2-18）根据上面的3个公式，可以进行光伏阵列模型的构建，如图2-6所示。图2-6 光伏电池仿真模型图（2） 普通函数法36,37在上一种方法的数学表达式里，一共包含着5个参数：Rs，Rsh，A，Isc和Io，这些参数不但要受到光强和温度的影响，而且如果想要计算出这些参数，是一个相对较大的工作量，所以我们在实际运用时舍弃了上一种方法。在实际应用中，产品的供应商仅仅会给出有限的几个在标准状况下的

44、典型参数，开路电压Uoc，短路电流Isc，最大功率点电流Im及电压Um，在实用性和精确性的前提下，建立工程用数学模型。在这之前，我们必须在光伏阵列基本解析式上做出以下两点工作：第一点由于（U+I*Rs）/Rsh项在多数情况下远远小于光生电流Iph，所以忽略该项；第二点因为Rs极小，所以令I=Isc。那么，可将式（2-4）简化为 （2-19）将最大功率点（Um，Im）代入上式可得 （2-20）在常温下可忽略“-1”项，所以，解得C1为 （2-21）将开路状态点（Uoc，0）和C1代入式（2-14），可解得C2为 （2-22）由于光伏阵列温度和光强的不断变换，依据官方给出的几个参数可以通过计算得出

45、在不同的光伏阵列温度和太阳光强之中的数据：开路电压U oc，短路电流I sc，最大功率点电流I m和电压Um： （2-23）其中Tair是环境温度（K）；Tref是参考电池温度（25）；Rref是参考光照强度（1000W/）；K是温度系数，其典型值约为0.03/W；T是实际电池温度和参考温度的差值；R是实际光照强度与参考值的差值；I sc是光伏电池在光照强度R与电池温度T时的短路电流（A）；U oc是光伏电池在光照强度R时的开路电压（U）； a、b、c为常数，它们的典型值分别为0.0025/、0.5/、0.00288/。本文基于以上公式建立了光伏电池的MATLAB/SIMULINK仿真模型，如图2-7所示，之后将对本课题中所选用的光伏电池模型进行仿真分析，在标准条件T=25、R=1000W/下的基本