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1、山东科技大学 电能质量检测与控制论文1光伏发电模型搭建及电能质量光伏发电模型搭建及电能质量1.太阳能光伏发电技术国内外发展状况太阳能光伏发电技术国内外发展状况随着人类文明的飞速发展，近年来能源枯竭和环境污染情况日益严重，可再生能源逐渐受到了全世界的关注。太阳能是取之不尽的清洁能源，利用太阳能的光伏发电产业自然也备受重视。太阳能光伏发电产业是 20 世纪 80 年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。50 年代第一块实用的硅太阳电池的问世,揭开了光电技术的序幕,也揭开了人类利用太阳能的新篇章。世界光伏组件生产最近 10 年的平均年增长率为 22%,最近 5 年的年平均增长率为 35%,2005
2、 年已达到近 800MW。可以看出,世界光伏产业呈快速发展势态,成为世界发展最快的新兴产业之一。在光伏产业方面,各国一直通过扩大规模、提高自动化程度,改进技术水平、开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。在研究开发方面,单晶硅电池效率达到 24.7%,多晶硅电池效率 19.8%,非晶硅电池实验室稳定效率已突破 15%,碲化镉电池效率达到 16.4%,铜铟硒电池效率 18.8%。晶硅薄膜电池的研究自 1987 年以来发展迅速,成为世界关注的新热点。我国高度重视太阳能等新能源的利用。国家可再生能源法 ，财政部关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见和太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法等一
3、系列鼓励政策的施行大大促进了太阳能光伏发电产业的发展。由于光伏发电并网缺乏管理规定，技术标准不完善，国家政策和激励措施缺乏对电网企业综合经济效益的补偿，大大影响了光伏发电产业和电网企业的健康有序发展。同时，光伏发电出力的间歇性、周期性和随机性，加上逆变器并网、孤岛效应等因素，影响了电网电能质量、电量计量计费、供电可靠性，随着大容量并网光伏电站和分布式光伏建筑一体化电源的大规模接入电网，给电网的规划、运行控制和管理带来了一系列问题。光伏发电系统通常分两大类：一是独立光伏发电系统，二是光伏并网发电系统。独立发电系统主要用于解决偏远地区缺电的困境，而光伏并网发电系统由于可以并入现有的电力系统，成为了
4、发展太阳能发电的主要选择。2007 年，欧洲并网光伏系统比例达到 95%以上，全世界的平均并网光伏系统比例已达 80%以上。我国还处于光伏发展初期阶段，并网系统的发展将是未来的趋势。并网光伏系统按照接入的方式和规模又可以分为集中式光伏电站和分布式光伏电站。集中式光伏电站大多利用荒漠地区丰富和相对稳定的太阳能资源，接入高压输电系统并网供给远距离负荷；分布式光伏电站主要用于就近解决用户的用电问题，通过并网实现供电差额的山东科技大学 电能质量检测与控制论文2补偿与外送，一般单个电站容量较小，通常并入低压配电网中。目前由于各国政策的鼓励，分布式光伏市场份额要远大于集中式，有着广阔的发展前景。2.2.光
5、伏电池简介及模型搭建光伏电池简介及模型搭建2.12.1 综述综述随着经济的发展，人口的增加，化石能源逐步消耗，能源危机问题日益严重。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。但是，大多数的光伏发电系统都是基于经验公式进行设计的，为了对整个设计系统进行验证和优化，有必要研究适用于光伏发电系统工程设计应用的仿真模型。由于太阳能电池阵列是光伏发电系统的核心部件，所以在光伏发电系统中，对太阳能电池阵列仿真模型的研究至关重要。太阳能电池技术发展很快，目前比较成熟且广泛应用的是经归类的太阳能电池。在 2009年，全球太阳能电池的产量为
6、1 0231MWp，到 2011 年预计达到 1.5 GWp，比 2010 年增加50。其中，单晶硅电池占 43.86，多晶硅电池占 46.62，薄膜电池占 9.52。国内外太阳能行业都在围绕提高太阳能电池的光转换效率和降低成本这两大目标开展研究工作。太阳能电池通过串并联组合成光伏阵列使用，但针对单个太阳能电池的模型往往很少，且无法应用于各种仿真和电力工程计算中。目前，多晶硅太阳能电池的实验室效率已超过 17，前景很好。本模型以数据参考手册参数为基准，用到了厂商提供的多晶硅太阳能电池标准下的参数。太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应制成的。所谓光伏效应是指半导体材料吸收光能后产生电动势的现象。
7、单体太阳能电池是光电转化的最小单位，一般不能单独作为工程电源使用。将单体太阳能电池串并联并封装后就成为太阳电池组件。太阳电池组件的 I-V 特性强烈的随日照强度S 和较强烈的随电池温度 T 而变化，即 I=f（V,S,T） 。太阳电池组件的生产厂家通常仅为用户提供产品在标准测试条件下测出的 Ioc，Im，Vm，Voc，Pm 值，如何根据这些仅有的工厂测试数据在工程精度下复现组件及由相应组件构建而成之阵列在不同日射，不同温度下的I-V 特性，对光伏系统技术人员来说显得特别重要。本文从光伏电池数学模型入手，在 PSCAD 的仿真系统中，建立了一种实光伏电池模块仿真模型，该模型忽略了一些次要因素的影
8、响，在不同太阳辐射强度和温度下模拟出太阳电池阵列的输出特性，并且将仿真模型结果与实际太阳电池阵列的测量结果进行了比较，工程应用精度在误差允许范围内，为光伏系统研究提供了极大的参考价值。山东科技大学 电能质量检测与控制论文32.22.2 太阳能电池的基本工作原理太阳能电池的基本工作原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转化器才能变换成电能，这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。太阳能电池工作的基本原理的基础，是半导体 p-n 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固
9、体中均可产生这种效应，但是在固体尤其是半导体中，光能转化成电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究的最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。半导体太阳能电池的发电过程概括成如下四点：首先是收集太阳光和其他光使它照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）-电子-空穴对。这些电子和空穴应具有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 p-n 结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边在 p-n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。在太阳能
10、电池 p-n 节的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就能把太阳能（或者其他光能）直接转换成电能。2.32.3 太阳能电池的特性太阳能电池的特性硅太阳能电池的特性可用一个等效电路来描述：式中 Iph-光电流，A；T-绝对温度，K；k-波尔兹曼常数；A-二极管因子；Rs-串联电阻；Rsh-并联电阻；图 2.1 太阳能电池的等效电路根据图 2.1 中电压与电流的参考方向，得出普遍使用的太阳能电池通用模型：（2-1）()exp 1SS p php rsp sshqVIRVIRIn In InkTAnR由于实际当中，太阳能并联电阻的实际值很大，的实际值
11、很小。故有：shRSR（2-2）exp() 1p php rs sqVIn In IkTAn山东科技大学 电能质量检测与控制论文4（2-3） 1(100phscSIIk TTr式中：I，V 为太阳能电池的输出电流、电压(单位：A，V)；ns，np 为光伏阵列串列和并联的电池个数；Iph 为太阳能电池光生电流，单位为 A；Isc 为短路电流，单位为 A；q 为电子电量(1.610-19C)；k 为波尔兹曼常数(13810-23J/K)；A 为无纲量任意曲线的拟合常数，取值在 15 之间；T 为太阳能电池绝对温度(单位：K)；Tr 为太阳能电池参考温度(单位：K)；Irs 为太阳能电池阵列反向饱和
12、电流(单位：A)；Irr 为二极管反向饱和电流(单位：A)；EG 为硅的禁带宽度；k1 为短路电流温度系数；S 为光照强度(单位：W/m2)。2.4 光伏组件模型的数学表达和模型建立光伏组件模型的数学表达和模型建立由于现有硅太阳能电池工程数学模型精度不高，方法不够简化，容易出错的缺点，基于硅太阳能电池的理论数学模型，本文提出一种改进的硅太阳能电池非线性工程简化数学模型。该模型是利用 pscad 工具，在光伏电池物理数字模型的基础上，建立的一种简洁光伏电池仿真模型。该模型忽略一些次要因素的影响，根据厂商提供的多晶硅太阳能电池作为参考。下面给出 S=1000 W/m2，T=25 测试条件下的 4
13、个电气参数，即短路电流 Isc=5.04A、开路电压 Voc=44.5V、最大功率点电流 Im=4.62 A 和最大功率点电压 Vm=35.8V。首先给出仿真模型的数学表达式为：(2-5)1TTTref(2-6)1/1SS Sref(2-7)1*/(11)IocIsc S SrefaT(2-8)1(1)ln(1)VocVoc IcTebS(2-9)Im1Im*/(11)S SrefaT(2-10)1*(11)ln(1)VmVmcTebS(2-11)(11*exp/( 2) 1)IIscCVC Voc(2-12)1(1 Im/)exp/( 2)CIscVmC VOC(2-13)12(/1)ln(
14、1 Im/)CVm VocIsc式中：Isc，Voc，Im，Vm 为 4 个标准参考技术值；Sref 为太阳光强参考值为 1 000 Wm2；Tref 为电池参考温度，为 25；S，T 为任意太阳光强和电池温度；山东科技大学 电能质量检测与控制论文5S1，T1，C1，C2，D 均为中间变量；a，b,c 为补偿系数，a=0.0025，b=0.5,c=0.00288。太阳能电池模型的外部结构如图 2.2 所示：图 2.2 光伏电池外部结构光伏电池电流与时间的关系如下图所示：图 2.3 光伏电池电流与时间的关系随着时间的推移，输入电压改变，输出电流随之改变，即为 I-V 曲线。光伏电池有功功率与时间的关系如下图所示：图 2.4 光伏电池功率与时间的关系表明随着时间的推移，输入的反馈电压增大，输出功率先增大，后减小，存在一个最大功率点。在温度 T=39时，改变光照强度，得到电流与时间的关系如下：图 2.5 不同光照强度下电流与时间的关系山东科技大学 电能质量检测与控制论文6表明温度不变时，随着日照强度的升高，电流随之增大，短路电流随之增大，开路电压随之增大，最大功率点改变。在光照强度 S=1000 Wm2，改变温度，得到电流与时间的关系如下：图 2.6 不同温度下电流与时间的表明日照强度不变时，随着温度的增高，开路电压随之减小，短路电流随之增大，最大功率点改变。
