基于光伏系统发电效率及升压器仿真实验探究

牛 真，魏立明

（吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林 长春 130118）

0 引言

目前，我国传统能源消耗日益加剧，将新能源引入能源发电领域已成必然趋势。太阳能作为一种可持续利用的清洁能源，具有绝对的安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中居于领先的地位[1]。太阳能发电技术的发展对缓解我国能源危机、减少环境污染、提高人们的生活水平具有非常重要的意义。本文以新能源发电仿真设备为实验对象，分析和探究太阳能发电系统的工作过程及特点。

1 Boost 升压电路工作原理

光伏电池板将太阳能转换成电能，输出的直流电能电压、功率、电流受光伏阵列的本身特性和工作环境影响，不够稳定。而高频环节逆变器能将光伏电池板输出的低压低频直流电通过DC/DC 变换器转变成高压高频直流电，这部分直流电既可以通过后级DC/AC 变换器转变成交流电供给用户负载使用，也可以通过充电控制器将其存储在蓄电池中，蓄电池可作为直流电源向直流负载供电。

本文实验对象是（新能源发电仿真系统）内部的DC/DC 变换器，采用的是Boost 升压电路结构，属于直接直流变流电路。DC/DC 变换电路包括直接直流变流电路和间接直流变流电路2 种拓扑结构，直接直流变流电路又称斩波电路，功能是直接将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离，具体Boost 升压电路的理想电路图见图1。

图1 Boost 升压电路图

由图1 可知，当开关处于位置1 时，电感的右端接地，此时电感电压UL等于直流输入电压Ug；当开关处于位置2 时，电感的右端与输出端连接在一起，此时电感电压UL=Ug-U，其中U 为输出电压u的直流分量，由于u 纹波很小，因此u 近似等于U。

综上，可以得到一个周期Ts内电感电压的波形图（见图2）。

图2 电感电压的波形图

由图2 可知，当开关处于位置1 时，电感有正的伏秒特性；当开关处于位置2 时，电感有负的伏秒特性。由于在稳定状态，一个周期内总的伏秒等于0，具体如公式（1）所示[2]：

式（1）中，Ts为一个周期，s；D 为占空比，由于D+D′=1，则可进一步推导出输入电压Ug与输出电压U 的函数关系式如公式（2）所示。

由此判断，输出电压U＞输入电压Ug，Boost 电路起到了升压作用。

2 光伏发电效率的影响因素

2.1 光照强度、温度

当外界光照强度发生变化时，光伏电池板的输出特性也会有所改变，而温度和光照强度的影响往往是共存的，因为太阳能电池吸收光子之后，自身温度会升高。光伏电池板是由许多单体光伏电池串并联而组成的，光照强度与温度的变化通过影响单体光伏电池的输出特性，进而影响整体光伏电池板的输出特性。其中，单体光伏电池的输出电流与输出电压函数关系如公式（3）所示[3]：

式（3）中，IPH为光生电流,A；I0为单体光伏电池内部等效二极管的P-N 结反向饱和电流，A；I 为单体光伏电池的输出电流，A；U 为单体光伏电池的输出电压,V；n 是二极管特性因子，k 是波尔兹曼常量，数值为0.86×10-4ev/K；q 是单位电荷，数值为1.6×10-19C；Rs 为单体光伏电池的串联内阻，Ω；T 为单体光伏电池的表面温度，℃。光照强度与温度可以对电池内部参数光生电流IPH、反向饱和电流I0、串联内阻Rs 产生影响，进而影响单体光伏电池的输出特性。

1）对光生电流IPH的影响

入射光光照强度值越大，其能量越高，相应地也会有越多光子被吸收产生电子—空穴对，促进了空间电荷区的不断扩大，内电场逐渐增强，导致少数载流子漂移运动加剧，光生电动势升高，光生电流值IPH也升高。一般地，IPH正比于入射光照强度值与太阳能电池板接受光照的表面积。

2）对反向饱和电流I0的影响

根据二极管理论，反向饱和电流I0与温度T 的函数关系如公式（4）所示[4]：

式（4）中，Eg是材料的能带宽度，具有一定的温度依赖性，对于硅电池，Eg在Tref=25℃时的典型值是1.121 ev。一般选取参考温度Tref=25℃，相应地，I0_ref为25℃下二极管的反向饱和电流值，A。

3）对串联内阻Rs 的影响

相关研究表明，串联内阻是光伏组件温度T 与入射光照强度S 的函数，具体的函数关系如公式（5）所示：

式（5） 中，S 是入射光照强度，lux；Tref为参考温度，℃；Sref为参考光强，β 约为0.217，相应地，Rs_ref为1 000 W/m2，25 ℃条件下串联内阻阻值。由此可以看出，串联内阻Rs 基本与入射光照强度的对数成反比，与外界温度成正比。

2.2 外接负载RL

光伏电池板发出的电可以直接供给直流负载使用，其输出电压和输出电流都与负载RL的阻值有关。一般地，对于同一负载RL，在不同的外界环境条件下，其工作点位置不同。在同一外界环境条件下，改变RL的阻值大小，其工作点位置也会有所改变，且总有相应的RL阻值使光伏电池板输出最大功率[5]。具体函数关系见图3，其中Vm，Voc，Im，Isc 分别表示光伏电池最佳工作点电压、开路电压、最佳工作点电流及短路电流。

图3 光伏电池输出伏安特性曲线

3 光伏发电系统仿真分析

3.1 升压电路

本文实验建立在新能源发电仿真系统的基础上，该系统主要由模拟光源、光伏电池板、光伏发电模块、DC/DC 模块电路、DC/AC 模块电路、充电管理器、蓄电池组、直流负载及直流24 V 稳压源组成。具体的系统设备面板见图4。

图4 新能源发电仿真设备面板

实验过程中，首先在确保设备面板上所有开关都处于关闭状态的前提下，按照正确的连线方式进行接线，使光伏电池板输出的电能经DC/DC-I 升压电路升压后，直接通过充电管理器给蓄电池充电[6]，同时外接直流24 V 稳压源，使其输出的电能经DC/DC-II 升压电路升压后，也通过充电管理器给蓄电池补充充电，具体的电路模型见图5。

图5 仿真电路模型

接好线之后，打开空气开关启动实训平台，按下光伏发电模块启动按钮并点亮模拟光源，此时系统进入光伏发电运行模式。通过面板上的调整按钮将光伏电池板调至与光源光线垂直位置，依次打开直流24 V 稳压源开关、DC/DC-1 电路、DC/DC-II 电路以及充电管理器的开关，同时开机进入组态王监控界面，从而实时地获取光伏发电电压数值、蓄电池电压数值、光伏发电电流数值等数据，具体监控界面显示实验结果为：光伏发电电压值34.83 V，经DC/DC-I 电路升压后电压值为35.52 V，直流稳压源电压值24.35 V，经DC/DC-II 电路升压后电压值35.68 V，此时蓄电池正处于充电状态（-0.01 A）,蓄电池当前电压值为0.02 V。

3.2 光伏发电效率与光强、RL 阻值的关系

在探究光强与光伏电池板发电效率关系的实验过程中，同样先在确保设备面板上所有开关都处于关闭状态的前提下连接好线路，使光伏发电模块直接接入直流负载模块，启动光伏发电模式并点亮光源。通过面板上的调整按钮将光伏电池板调至水平位置，并将光源运行到某一固定时段（中午），同时把直流负载RL的阻值调至某一固定数值，再通过调节设备面板上的光源亮度旋钮来控制光强大小，分别观察光照处于弱、中、强3 个档位时组态王的监控界面，汇总实验结果见图6。

图6 输出电压、电流仿真曲线图

以上实验结果表明，当其它影响因素保持不变时，光照强度值越大，光伏电池板的输出电压值及输出电流值越高，相应地输出功率越高，发电效率也越高。在探究外接直流负载RL阻值对光伏电池板发电效率影响的实验过程中，先将光源运行到某一固定时段（中午），调节设备面板上的光源亮度旋钮将其旋转至某一固定位置，观察负载RL阻值在不同大小时光伏电池板的输出电压、电流大小。首先顺时针调节负载旋钮将RL阻值调至最大值，将当前光伏电池板输出的电流、电压值记录为第1 组数据。之后将负载旋钮往逆时针方向旋转，RL阻值越来越小，每旋转半圈，组态王监控界面便会自动采集到当前的数据并标出相应的采集点，最终绘制出RL阻值从最大值调至最小值的全过程中光伏电池板输出的P-V 特性曲线变化图，具体实验结果见图7。

图7 P-V 特性曲线（W/V）

此实验结果表明，光伏电池板的输出功率随着负载RL阻值的变化而呈现非规律性的变化，输出功率曲线存在极大值，因此控制RL的阻值在一定论域内有着重要的意义。

4 结语

本文在新能源发电仿真系统的基础上对光伏发电系统进行研究，并配合组态王进行实验仿真。通过实验结果可以有效地观察光伏发电效率与外界影响因素的关系，以及光伏电池板通过DC/DC 变换器向蓄电池充电的全过程，具有较好的研究意义。