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1、南京航空航天大学硕士学位论文一种新型光伏发电变换器姓名：王峰申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：何礼高20080201南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 石油、煤等矿物能源危机的加剧使得人们的目光逐渐投向于新能源的开发利用，太阳能由于资源丰富、无噪音、无污染等优点成为研究热点之一。AC-MODULE并网发电系统凭借其模块化设计的优点，成为未来光伏并网发电系统的发展趋势。 为了解决现有AC-MODULE中由于功率变换器输入端使用大铝电解电容而影响其使用寿命这一缺陷，本文采用双级式电路架构，利用中间高压直流链电容作为太阳能电池和电网之间的能量退耦环节，通过该方式实现了用高压直流链中小

2、容量薄膜电容取代原有输入端使用的大电解电容，延长了AC-MODULE的使用寿命。 本文首先对太阳能电池的工作特性做了仿真研究，确定日照强度和温度是影响其输出功率的重要因素。通过控制推挽变换器输入电压使之稳定在太阳能电池最大功率点电压，达到最大功率点追踪目的。建立系统能量采样数据模型，并以此作为逆变部分的控制模型，通过控制输出电流幅值，维持系统之间能量平衡，并控制输出电流追踪电网电压，达到功率因数为1。最后设计了一台150W的原理样机，完成了全部硬件设计调试和部分控制软件，给出了系统仿真验证结果和实验波形，达到预期设计要求。 关键词：光伏发电系统，AC-MODULE，最大功率点追踪，退耦环节，功

3、率控制 一种新型光伏发电变换器 ii ABSTRACT With the aggravation of the fossil fuels that are the oil, coal and so on, people pay more attention to the development and utilization of the renewable energy source. Among the renewable energy sources, the solar or photovoltaic energy has become one of the most promisin

4、g sources of energy due to the fact that photovoltaic energy is rich, noise-free and environmental friendly and so on. With its modular design advantage, the ac-module grid-connected system becomes the future trend of the grid-connected photovoltaic system development. In order to overcome the probl

5、em of ac-modules lifetime that is limited by the aluminum electrolytic capacitors in the input. In this paper, these aluminum electrolytic capacitors are obviated by using two-stage converter and using the high voltage dc-link polypropylene capacitor to decouple the power that between the photovolta

6、ic module and the grid, so the ac-module has long life time. This paper first study the performance of solar cell by simulation，and find that the intensity of sunshine and the temperature are the important factors of PV modules output power. The maximum power point of the PV module is tracked by con

7、trolling the input voltage of push-pull converter. The control model of inverter is got from the systems the energy sampled-data model, the balance of system is kept by modifying the amplitude of output current. In order to get unit power factor, the output current is controlled to track the voltage

8、 of grid. At the final, a 150W ac-module are designed, the design and debugging of the hardware and the software are finished. The achievement of the system is validated with the simulation results and the experimental waveforms. Keywords: photovoltaic system, AC-MODULE, MPPT, decoupling, power cont

9、rol 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图、表清单 图2. 1 独立运转型系统框图 8 图2. 2 光伏并网发电系统框图 9 图2. 3 光伏电池等效模型和工作电路图 10 图2. 4 太阳能电池在simulink中仿真模型 14 图2. 5 模拟太阳能电池板在温度为25摄氏度下，当日照强度改变时，其输出电流、电压及功率之间的关系. 15 图2. 6 模拟太阳能电池板在日照强度为1000W/m2，当环境温度变化时，其输出电流、电压以及功率之间的关系. 16 图3. 1 光伏并网发电系统架构发展路线图 22 图3. 2 太阳能电池板的电气特性曲线 25 图3. 3 主功率电路主架构 28 图3

10、. 4 主功率电路 28 图3. 5 传统推挽变换器 29 图3. 6 逆变部分 30 图3. 7 逆变部分控制原理电路 30 图3. 8 电感电流和Q3的驱动仿真波形. 31 图3. 9 推挽变换器控制框图 32 图3. 10最大功率追踪算法流程图 . 32 图3. 11 DC-DC部分控制框图 33 图3. 12 I-V和P-V曲线 33 图3. 13 逆变部分等效图 35 图3. 14 能量传输控制图 35 图3. 15 电压环离散线性模型 38 图3. 16 整个系统控制框图 38 图4. 1 缓冲电路 43 图4. 2 直流高压采样电路 44 图4. 3 输出电流采样调理电路 45

11、一种新型光伏发电变换器 vi 图4. 4 零点检测电路 46 图4. 5 绝对值电路 46 图4. 6 周波变换器驱动电路 46 图4. 7 Q3控制电路. 47 图4. 8 MAX5019引脚分布图. 47 图4. 9 dsPIC30f2020引脚分布图. 50 图4. 10 系统主程序框图 54 图4. 11 电网电压过零时子程序框图 54 图5. 1 变换器输入电压波形 56 图5. 2 变换器工作波形 57 图5. 3 零点检测电路波形 57 图5. 4 周波变换器工作波形 58 图5. 5 基准电流波形 58 图5. 6 高压直流链电容电压波形 59 图5. 7 电网电压和输出电流波

12、形 59 表2. 1 光伏电池等效模型参数解析 11 表2. 2 SUNTECH STP150-24/AC在标准测试条件下的参数 12 表2. 3 最大功率点追踪方法的工作原理 17 表2. 4 各种最大功率追踪方法的优缺点 17 表2. 4（续）各种最大功率追踪方法的优缺点 18 表2. 5 并网要求规范 21 表4. 1 系统规格 39 表4. 2 30f2020端口配置. 52 表5.1 实验数据. 59 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 注释表 一、 缩略词与名称 略写 英文全称 名称 MPPT Maximum Power Point Tracking 最大功率点追踪 NOTC N

13、ormal Operating Cell Temperature 单元正常工作温度 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 金属氧化物半导体场效应晶体管 PV Photovoltaic 太阳能、光伏的意思 AC-MODULE 单块太阳能电池并网发电模块 二、 基本符号与名称 基本符号 名称 osI 光伏电池暗饱和电流 k 波尔兹曼常数 日照强度 SCRI 标准测试条件下光伏电池的短路电流 LGI 光电流 A、B 理想因子，一般介于1和2之间 rT 参考温度

14、orIrT下的暗饱和电流 sR 光伏电池的串联等效电阻 shR 光伏电池的并联等效电阻 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研

15、究课题的目的和意义 1.1.1 全球能源危机与环境问题 能源是人类赖以生存和发展的主要物质基础，是世界经济的血液，也是影响国家安全的重要因素。随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气等一次能源为主，然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。在人类社会进入了21世纪后的今天，能源问题如果得不到有效的解决，将会严重制约着人类社会的可持续发展。 此外，大量使用化石燃料已给人类生态环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，已造成极为严重的大气污染。京都协定书的生效将会限制全球温室气体的排放量，所

16、以在有限资源和环保严格要求的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模的开发利用可再生洁净能源。 我国经济正处在一个飞速发展的时期，能源需求量在未来几十年仍将快速增加。在今后15年左右和更长的一段时间里，能源的发展状况对我国全面实现建设小康社会的宏伟目标将起到决定性的作用。而目前，我国的能源工业还比较落后，主要依赖于传统的矿物能源。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76%，已成为我国大气污染的主要来源。因此可以说，我国大气污染的主要原因是由于能源结构不合理和能源利用技术水平低造成的。开发利用可再生能源和太阳能技术，改变能源结构是我国能源战线上

17、十分艰巨而紧迫的任务。 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有储量的无限性、存在的普遍性、开发利用的清洁性以及逐渐显露出的经济性等优势，它的开发利用能有效解决常规能源特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染等问题，是人类理想的替代能源。太阳能开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在一种新型光伏发电变换器 2 世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源之一12。 1.1.2 分布式太阳能发电系统 随着太阳能、风能等新能源由以前的补充能源身份向替代能源身份过渡，光伏并网发电、风能并网发电等也逐渐得到普及利用，这也标志着分布式供电成为电网供电方式之一。 分布式太阳能发电系统与

18、电网连接运转有诸多的优点：（1）太阳能并网发电系统既可以小规模发电也可以大规模集中供电，其规模可以根据实际负载来决定，且容量大小并不影响系统效率；（2）减少以往因电网长距离供电带来的线路损耗，舒缓用电尖峰时输配电线路和变压器的过热现象；（3）可节省电网扩容成本，分布式太阳能发电系统的单位发电量成本，大型与小型几乎没有什么差异；（4）减少电网维护成本。例如：由于配电线路延长，导致末端电压严重不足，进而严重影响电力供应品质，为了改善电压下降的情况，一般会在配电线路上并联电容器，若电力网络与太阳能并网发电系统连接运转，则可减少并联电容器所带来的操作和维护费用。 太阳能电池可将取之不尽的太阳能转换为电

19、能，其维护或维修的成本低，不易损坏，现今太空中许多人造卫星使用太阳能电池作为能量的来源就是最好的证明。我国地域广阔，日照强度丰富且日照时间长，比较适合太阳能发电的发展。 目前，由于太阳能发电系统的成本相对较高，还未能和常规能源发电系统形成竞争，除了一些国家政府支持的，光伏并网发电系统还没有能真正实现大规模应用。但是随着煤、石油等能源价格越来越高，光伏并网发电的经济效益也日益突出。 光伏发电系统主要包含两部分：1、太阳能电池，2、功率变换器。目前而言，太阳能电池技术还不够成熟，其制造成本不但高而且光电转换效率很低，需要改善的力度很大；功率变换器的制造成本和转换效率虽然比光伏电池好，但是其总体性能

20、还需要进一步改善，争取能做到长寿命、标准化、模块化设计。所以为了降低光伏并网发电的成本，使其性价比得到不断的提高，光伏电池和功率变换器的性能都需要得到进一步完善。 本论文的目的在于设计一种长寿命、高可靠性的小型光伏并网发电系统，降低制造成本，提高性价比，使之和现有发电方式相比具有更强的吸引力和竞南京航空航天大学硕士学位论文 3 争力。 1.2 太阳能发电概况 1.2.1 国外情况 目前国际上对太阳能的开发利用已经十分重视3。20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多电源的应用场合，上至航

21、天器，下至儿童玩具，光伏电源无处不在。 20世纪80年代，美国建成抛物面槽太阳能发电站，俄罗斯、澳大利亚、瑞士也相继建立了太阳能发电厂。1990年德国政府率先推出“一千屋顶计划”，1998年进一步提出了10万套屋顶太阳能发电系统的计划，并且预计到2050年德国消耗的能量半数将来自太阳能。日本政府1994年开始实施“朝日七年计划”，总容量185MWp4，1997年又宣布实施“七万屋顶计划”，总容量280MWp。意大利1998年实行“全国太阳能屋顶计划”，总容量50MWp。 在这类系统中，规模最大的是1997年6月美国宣布的“百万太阳能屋顶计划”，到2010年将安装101.4万套光电系统，总容量3

22、025MWp。美国能源部预测，在今后十年内世界太阳能电池销售量将以30%的速度增长，在2010年将达到4.6GWp，累计容量将达到20GWp4。发展中国家也在积极发展利用太阳能，印度于1997年12月宣布推广150万套太阳能屋顶系统；1999年菲律宾政府就批准实施了首个太阳能计划，这是在澳大利亚政府“海外援助计划”的援助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲律宾政府正在推行另一个太阳能应用计划，整个计划将耗资4800万美元。 近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界范围内快速、稳定发展的新兴产业之一。在2004年，全球安装的太阳能

23、发电系统容量已经超过1000MWp。最新的BP世界能源统计年鉴显示，光伏发电产业在最近五年的年均增长速度超过30%。包括太阳能在内的可再生能源在21世纪将会以前所未有的速度发展，并将逐步成为人类的基础能源之一。据预测：到21世纪中叶，可再生能源将占到总一次能源50%以上的份额，而太阳能在一次能源中的比例将为13%15%5。 一种新型光伏发电变换器 4 目前国外光伏发电系统的研究热点主要集中在：1、太阳能电池，2、逆变器。光伏电池目前研究热点包括：开发多晶硅生产技术，开发快速掺杂和表面处理技术等等。化合物太阳能电池正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。逆变

24、器分为独立型逆变器和并网型逆变器。独立型逆变器朝着更大功率的多电平、级联逆变器方向发展；并网型逆变器区别于独立型逆变器的一个重要特征是必须进行“孤岛效应”防护。目前国际上对于并网逆变器的研究一方面集中于针对“孤岛效应”的被动和主动防护检测方法；另一方面，综合了MPPT控制、电网电流控制及电压放大等多功能的多电平逆变器也已开始研究，成为提高光伏发电系统整体效率的重要途径之一6。 1.2.2 国内情况 我国于1958年开始研究太阳能电池，并于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。80年代以后，国家开始对光伏产业发展给以支持，使得我国十分弱小的太阳能电池工业得到巩固和发展，并在许多应

25、用领域建立了示范。在国家实施西部大开发发展战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下，2002年国家计委启动了西部地区送电到乡的项目，耗资近20亿人民币，有力地推进了我国光伏产业的发展。通过国家“七五”、“八五”、“九五”以及“十五”计划，我国已经在户用系统、通信电源、光伏水泵、光伏并网方面取得了一些技术成果。国家科技部“国家十五科技攻关计划”中的“光伏屋顶并网发电系统”在北京建成了20kWp，50kWp等容量等级的光伏屋顶并网系统，成功地实现了并网发电7。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于2004年在深圳世博园成功地实施了1MWp容量的大型光伏并网电站。 目前国内光伏发电技术与国外还有一定差

26、距。商品化生产的单晶硅、多晶硅和非晶硅电池与发达国家相比，其效率要低1到2个百分点7；截止至2006年，中国还没有用于光伏发电系统的专用蓄电池；逆变器的生产也仅仅停留在小功率级别，大功率逆变器的研发水平与国外差距较大。 但是，国内许多高校和研究机构长期致力于光伏发电技术领域的研究工作，且取得了一定的成果。其中合肥工业大学能源研究所在光伏水泵变频器8、户用光伏并网发电系统9和独立光伏照明系统10等方面都进行了许多相关研究，并且在光伏技术产业上积累了一定的经验；中科院电工研究所在光伏并网发电系统南京航空航天大学硕士学位论文 5 的开发和工程应用上也取得了很大进展，其下属机构参与设计了深圳世博园的1

27、MWp光伏并网电站，该电站目前是亚洲最大的集中式光伏并网电站；此外，清华大学、浙江大学等院校也在光伏发电领域开展了大量的研究和开发工作。 1.3 AC-MODULE的发展和研究概述 未来的研究趋势是构建简单、经济、实用的小规模光伏发电系统网络。而单块太阳能电池并网系统，由于具备安全、不存在光伏电池之间的不匹配损耗等优点，逐渐成为人们的研究热点。 1.3.1 AC-MODULE的发展概况 用独立光伏组件实现光伏并网发电的思想起源于70年代。由于当时技术的限制，这种思想没有应用到实际中来。直到80年代末，ISET才真正对AC-MODULE并网发电系统做了深入研究，其中Kleikauf教授在多篇论文

28、中提出该思想，并强调其优点。 当时Kleikauf教授所提出的思想被一些人认为是虚无飘渺的，而到了90年代初，在美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置。首先研究的国家有荷兰、德国、瑞士和美国。第一台AC-MODULE产于1992年，由德国的ZSW公司研制的，它的功率只有50W，采用的是高频开关频率（500K Hz）和隔离变压器。随着技术不断的发展，各个公司都推出了自己的产品，例如：Mastervolt（荷兰）、Alpha Real（瑞士），OKE-Servics（荷兰）和AES（美国）公司等等。值得注意的是，不同的光伏电池对应的开路电压以及功率不同，故一种型号的AC-MODULE需要对应于相应规

29、格的光伏电池，这种情形未来要逐渐得到改善，要形成统一标准以有利于大规模生产降低生产成本。 由于普通家庭用户市场的打开，未来的AC-MODULE市场会迅速扩大，到2005年已经安装了80000个AC-MODULE。随着市场的激烈竞争，价格最低、性能最优的才能生存下来11。 1.3.2 AC-MOUDLE的研究概况 为了使AC-MODULE能占据市场，AC-MODULE必须要具备一些基本要求：1、在宽输入功率范围内，AC-MODULE必须保持较高的效率，因为太阳能电池一种新型光伏发电变换器 6 输出功率受光照强度、温度因素影响变化范围很大；2、必须要具备MPPT功能；3、太阳能电池和电网之间必须要

30、具有能量退耦环节，因为为了取得较好的输出电能品质，注入电网的能量是一个带有2(sin( )t形式的变量，又因为根据要求2，通过MPPT使太阳能电池稳定的工作在最大功率点，从太阳能获取的能量只能为直流形式。 由于AC-MODULE这个概念提出时间不长以及一些商业化因素，国内外有关AC-MODULE的控制方法、系统数学模型、主电路参数选择等方面文献不多，多数是从AC-MOUDLE的效益、经济成本、测试数据、光伏屋顶计划实施情况、厂商、能量转化效率等角度分析的12-20。 早期的工频AC-MODULE具有工频变压器体积庞大、笨重等不可避免的缺点；文献21-25中提出电压型高频链AC-MODULE，该

31、并网逆变器拓扑是一个两级系统。前后两级独立控制，可靠性高，应用广泛，而且高频变压器取代了工频变压器，减小AC-MODULE的体积，但是由于两级功率变换使得系统效率下降；文献2627提出谐振式电压型高频链AC-MODULE，前级DC-DC变换器采用串联谐振式结构，可大大提高变换器的效率，后级全桥逆变器，前桥臂采用PWM控制，后桥臂工频控制，进一步提高系统效率；文献16采用集成磁元件技术，进一步提高了系统效率，且减少了系统的体积，降低了成本；文献28-29提出了电流型高频链AC-MODULE，采用单级变换器进一步改善了变换器体积。以上文献中设计的AC-MODULE都是通过在AC-MODULE输入端

32、并联大容量铝电解电容，实现太阳能电池和电网之间的能量退耦。AC-MODULE一般置于户外工作，工作环境恶劣，尤其是夏天高温，限制了AC-MODULE中大容量电解电容的使用寿命，从而影响了AC-MOUDLE的使用寿命。文献30首次从改善AC-MODULE使用寿命角度出发，在变换器中加入一个能量退耦环节，通过该方式变换器中不需要再使用大电解电容，改善了AC-MODULE的使用寿命。该变换器为反激变换器，工作过程是先将太阳能电池能量通过变压器原边电感全部输送到退耦电容中，然后通过控制退耦电容放电将电流转换成正弦馒头波，经过工频逆变转化为正弦波实现并网。该AC-MODULE中虽然不需要大电解电容，但是

33、能量在变压器原边处理过程太过冗长，系统损耗很大，所以效率很低（不到0.7）。文献31在此基础上做了改进，由以前的单管反激电路改变为双管反激电路，改善了开关管电压应力，在开关管关断后变压器漏感能量通过二极管续流存储到退耦电容中，系统效率有所提高，但是能量流程没得到缩短；文献32通过在变压器原边增加了一套绕组和一南京航空航天大学硕士学位论文 7 个二极管，退耦电容只提供波动能量，减少了能量在回路中的损耗，效率有所提高，但是给变压器设计带来困难。 1.4 课题研究的内容 本论文从AC-MODULE的使用寿命问题出发，在理论分析的基础上设计了一种新型光伏发电变换器，使之具有更长的使用寿命和良好的控制性

34、能，并通过仿真和实验进行了验证。 课题研究内容主要包括以下几个方面： 第一部分：论述了课题的研究目的和意义，介绍了太阳能发电的现状和AC-MODULE的研究现状。 第二部分：介绍了太阳能发电系统基本类型；用Matlab软件对太阳能电池的工作特性进行了仿真，确定日照强度和温度是影响太阳能电池输出功率的重要因素，为最大功率点跟踪提供指导；介绍了最大功率点追踪的几种方式，并把他们之间进行了比较；最后介绍了分布式发电系统中“孤岛现象”的检测方法以及并网发电的一些技术要求。 第三部分：介绍本文设计光伏变换器的拓扑架构和控制系统。 第四部分：制作了一台150W的原理样机，完成系统电路设计和控制软件设计。

35、第五部分：系统仿真验证结果和实验结果。 第六部分：总结与展望。 一种新型光伏发电变换器 8 第二章 光伏发电系统 2.1 太阳能发电系统运行模式 太阳能发电系统主要包括太阳能电池、电力电子变换器、变压器、蓄电池等，其中太阳能电池、电力电子变换器是必需的，而变压器、蓄电池可以根据具体使用场合和用户要求来决定是否配置。光伏发电系统可以根据是否与市电网络连接分为两种运行模式：独立运转型和并网发电运转型。 所谓独立运转型是指太阳能发电系统不与电网连接，仅给局部特定负载供电。系统示意图如图2.1所示，包括太阳能电池、电力电子变换器（包括升/降压变换器、充/放电变换器和逆变器）、蓄电池等三部分。由于太阳能

36、电池的输出功率随着日照强度、温度等因素的变化而变化，若只靠太阳能电池发电则无法提供稳定的输出功率，因此这种类型的系统必需加入蓄电池作为辅助电源。当太阳能电池的输出功率大于负载所需时，多余的电力通过充/放电变换器对蓄电池充电；当太阳能电池的输出功率小于负载所需时，不足的电力通过充/放电变换器由蓄电池供应；若太阳能电池的输出功率加上电池提供的功率仍不足以供应负载所需或是系统故障时，则必须与负载切离。由于添加了蓄电池，所以需要对蓄电池进行管理和维护，这就额外增加了系统的成本和控制复杂度。 太阳能电池升/降压变换器充/放电变换器逆变器蓄电池负载图2. 1 独立运转型系统框图 南京航空航天大学硕士学位论

37、文 9 太阳能电池升/降压变换器逆变器电网负载图2. 2 光伏并网发电系统框图 并网发电运转型如图2.2是指太阳能发电系统与电网连接运转，这种运行模式可视为电力网络上的一个小型发电设备，属于分布式发电系统。并网发电模式除了拥有1.1小节所叙述的优点之外，对于该类型系统的用户而言，发电系统可以使用住宅原有配线，可节省配线费用；电网可以提供不足的电力，可除去蓄电池的需求，多余电力还可回馈给电网。该系统不需要对蓄电池进行管理和维护，降低了系统成本和控制复杂度，而且更环保。如果该系统用户想要在电网停止供电情况下继续由光伏发电系统向负载供电，可以通过切换工作模式将系统转换为独立式发电系统类型，此种就属于

38、混合式光伏发电系统。 2.2 太阳能电池板特性 太阳能电池是以光生伏打效应为基础，把光能直接转换成电能的一种半导体器件。所谓的光生伏打效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。太阳能电池之所以能将光能转换成电能主要有两个因素：一是光生伏打效应，二是内部电场。因此在选取太阳能电池的材料时，必须考虑到材料的光生伏打效应和如何产生内部电场3334。 太阳能电池板是由许多的太阳能电池单体经串联、并联连接后，再加上机械强度的支撑基板和表面强化玻璃覆盖而构成的35。由于太阳能电池的输出功率会受日照强度、温度以及制作材料等因素的影响，所以为了让太阳能电池在任何环境下均能以最大功率输出，以提升其利用效

39、率，必须对瞬时输出功率进行控制，也就是所谓的最大功率点追踪。最大功率点追踪的方式在许多文献资料中均有相关的探讨，不同的追踪方式其复杂程度和整体效率均有所差异，因一种新型光伏发电变换器 10 此必须根据实际环境条件来选择适当的最大功率点追踪方式。而在选择最大功率点追踪方式之前，必须先对太阳能板的特性加以了解，例如输出功率、温度、日照强度及负载之间的相互关系。 2.2.1 太阳能电池的电气特性 太阳能电池实际上是一个P-N结。如果将普通半导体硅太阳能电池放入一个暗盒里，在两个电极之间分别加正向和反向电压，测出的电流电压关系和普通二极管相同。 RsRshILG IshVdRsRsh RLILG Id

40、 IshIVVd（a）等效模型 （b）工作电路 图2. 3 光伏电池等效模型和工作电路图 光伏电池的等效模型如图2.3（a）所示，sR代表串联等效电阻（由于材料本身具有电阻率，当工作电流流过电池板时，必然引起内部串联损耗），shR代表并联等效电阻（由于制造工艺因素，光伏电池的边缘和电极在制作时可能会产生微小的划痕，从而形成漏电，导致这部分电流不流过负载）。图2.3（b）为太阳能电池等效工作电路，LR代表太阳能电池两端接的负载，根据基尔霍夫电流定律可推导出其输出电流方程36： ()exp 1LG d shsLG os sshII I IVIRqII VIRAkT R= += + (2.1) 其中

41、： 311expGOos orrrqETIITBkTT = (2.2) 南京航空航天大学硕士学位论文 11 ()2981000LG SCR IIIKT=+(2.3) 上述三个公式的参数解析详见表2.1。对光伏电池等效模型进行分析可以发现：串联电阻sR越大，则短路电流（负载为0时输出电流）会越小，但不会对开路电压（不接负载时输出电压）造成太大影响；并联电阻shR减小，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。在发电效率上，似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了shR外还包括二极管的电流值，由此可知sR对光伏电池的发电效率的影响较为明显。因此，在下面讨论中将忽略shR，简

42、化的光伏电池输出特性方程如公式（2.4）。 ()exp 1LG os sqII I V IRAkT= + (2.4) 表2. 1参数解析表 符号 描述 单位 数值 I 光伏电池输出电流 A V 光伏电池输出电压 V osI 光伏电池暗饱和电流 A T 光伏电池的表面温度 K k 波尔兹曼常数 J/K 1.3810-23 q 单位电荷 C 1.610-19 IK 短路电流的温度系数 A/K 日照强度 W/m2 SCRI 标准测试条件a下光伏电池的短路电流A LGI 光电流 A GOE 半导体材料的禁带宽度 J A、B 理想因子，一般介于1和2之间 rT 参考温度 K 301.18 orI rT下

43、的暗饱和电流 A sR 光伏电池的串联等效电阻 shR 光伏电池的并联等效电阻 注a：光伏电池温度为25摄氏度，日照强度为1000 W/m2，称之为标准测试条件STC。 一种新型光伏发电变换器 12 一块太阳能电池板（PV-MODULE）由一定数量的太阳能电池单体构成，太阳能电池单体串联可以提高输出端电压，并联可以增大输出直流电流。因此，通过对太阳能电池单体串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。据此可以得到太阳能电池板的输出特性方程37： ()exp 1pLG pos ssqInI nI V IRnAkT = + (2.5) 其中：pn、sn分别为太阳能电池板中单体并联、串联个数。同样

44、，太阳能电池阵列是由许多太阳能电池板经由并联或串联所组成的。 2.2.2 太阳能电池工作特性的仿真 由式（2.1）可以看出太阳能电池的输出电压和电流关系式是个强耦合的非线性等式，很难直接求解。本文根据太阳能电池输出特性的数学等式，利用近似等效的方法搭建了其仿真模型，并利用Matlab中的Simulink工具对其仿真，仿真结果给出了太阳能电池在不同气候条件下输出功率、输出电流和输出电压的变化趋势，为最大功率点追踪提供了很好的参考。 表2. 2 SUNTECH STP150-24/AC在标准测试条件下的参数 电气特性 规格 规定最大输出功率maxP 150（W） 额定电流MPPI 4.34（A）

45、额定电压MPPV 34.6（V） 短路电流SCRI 4.7（A） 开路电压OCSV 43.3（V） 短路电流温度系数IK 0.045%/ K 开路电压温度系数TK -0.34%/ K NOTC（Normal Operating Cell Temperature） 452（摄氏度） 表2.2列出了SUNTECH公司生产的STP150-24/AC型号的太阳能电池板的各项参数。它由72（6*12）个多晶硅光伏电池单体组合而成，根据公式（2.5），得到该太阳能电池板的输出特性方程，如式2.6， 南京航空航天大学硕士学位论文 13 ()66exp 112LG os sqII I VIRAkT = + (

46、2.6) 在公式（2.6）中的未知量有LGI、osI、sR，下面对三个未知量进行求解。 1求解未知量LGI 在已知光强、温度的情况下，根据表2.2和公式（2.3）可以求出LGI。 2求解未知量osI 当外部负载短路时，此时 exp 1 012OCLG osqVIIAkT=OCV是给定条件下太阳能电池开路电压，因此可求得： exp 112LGosOCIIqVAkT= (2.7) 其中： ( )298OC OCS TVV KT=+ (2.8) 其中：OCSV为标准情况下太阳能电池的开路电压值。根据公式（2.3）和（2.8）可以求出osI。 3求解未知量sR 在最大功率点处，有 ()66exp 11

47、2MPP LG os MPP MPP sqIII VIRAkT= + (2.9) 若得知在不同T、下的最大功率点（MPPV、MPPI），就可求得不同气候条件下的sR。由于数据有限，并且sR值较小，本文采用恒定sR的方法来近似模拟。 完成上面三个量的求解即可得到太阳能电池的数学模型，图2.4为太阳能电池在Matlab下搭建的仿真模型。 根据公式2.8，近似认为太阳能电池开路电压只和温度有关系。在固定环境温度（25摄氏度）下，当日照强度由1000 W/m2减弱到200W/m2时，并给定太一种新型光伏发电变换器 14 阳能电池工作电压由0变化到开路电路，通过MATLAB仿真模型，计算出输出电流。仿真

48、结果如图2.5所示。从图2.5中可以看出，当日照强度变弱时，太阳能电池开路电压不变，但是提供的最大电流在急剧减小，输出功率也在随之变小，所以由此变化趋势可以看出日照强度是影响太阳能电池输出功率大小的重要因素。 同样，太阳能电池板在固定日照强度（1000W/m2）下，当温度由0摄氏度增加到100摄氏度时，太阳能电池输出电流、电压及功率之间的关系曲线如图2.7。由图2.7可以看出，在固定日照强度下，当温度升高时太阳能板开路电压会降低，其短路电流变大，但是对整体输出功率而言，当温度升高时太阳能电池的额定输出功率在下降，由此可见工作环境温度的高低对太阳能板的最大输出功率也会有直接的影响。 图2. 4

49、太阳能电池在simulink中仿真模型 由以上模拟结果可以看出，日照强度的强弱以及环境温度的高低是影响太阳能电池工作特性的两个重要因素。当太阳能电池在瞬息万变的自然环境下工作时，温度和日照强度每时每刻都在变化，因此它的输出功率也随之在不断变化，所以必须对其加以适当的控制，才能保证在每一时刻取得最大功率，否则可能因周围环境条件的变化太阳能电池无法提供最大功率给负载，造成应用上南京航空航天大学硕士学位论文 15 的损失。 （a）V-I关系曲线 （b）V-P关系曲线 （c）I-P关系曲线 图2. 5当日照强度改变时，其输出电流、电压及功率之间的关系 （a）V-I关系曲线 （b）V-P关系曲线 一种新型光伏发电变换器 16 （c）I-P关系曲线 图2. 6当环境温