光伏電池工作原理與輸出特性建模探討目錄TOC\o"1-3"\h\u12675第一章本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)框架 110547第二章光伏發(fā)電的相關理論知識 2243322.1半導體的基本原理 2157972.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 4236292.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求 620184第三章光伏電池的模型和輸出特性 963033.1光伏電池的工作原理 9112333.2光伏電池的數(shù)學模型 10127463.3光伏電池的模型仿真與輸出特性 1429447第四章光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型和特性研究 2192434.1光伏發(fā)電系統(tǒng)模型 21186994.1.1光伏匯流箱 21257014.1.2直流變換器 2371144.1.3逆變器 2585584.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性研究 2622816第五章總結(jié) 3013498參考文獻 31第一章本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)框架本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分，分析了光伏電池的工作原理，建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)中各部分的機理模型，并對系統(tǒng)的輸出特性進行研究。本文各部分的具體內(nèi)容如下：第一章：緒論。主要介紹了本文的研究背景和意義，闡述了近年來可再生能源的發(fā)展狀況及其重要性和必要性，介紹了太陽能發(fā)電有光伏發(fā)電和光熱發(fā)電兩種形式，分析了光伏發(fā)電的優(yōu)點；綜述了國內(nèi)外光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)、太陽能光伏電池和光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀；介紹了本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。第二章：光伏發(fā)電的相關理論知識。首先，介紹了半導體的組成和能帶的概念，指出半導體導電的原理，只要有能量大于禁帶寬度的光子就可以被半導體界面吸收，從而激發(fā)價電子躍遷到導帶，從而產(chǎn)生電流；接著，介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的三個類型：分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，并分別概述了每種光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征；最后，結(jié)合我國相關規(guī)定，簡單介紹了我國光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。第三章：光伏電池的模型和輸出特性。這在某種意義上表明了對光伏電池的工作原理進行了詳細的分析，研究了光伏電池的等效電路和伏安特性曲線；對光伏電池的等效電路進行簡化，建立了對應的數(shù)學模型；采用Matlab仿真平臺得到光伏電池的仿真模型，研究了光伏電池的輸出特性，并與廠家提供的輸出特性曲線進行對比，驗證了該簡化模型的可行性和普適性。第四章：光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型和特性研究。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電過程，確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量為1MWp，從這些對話中看出為光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他組成部分選擇合適的器件，研究其工作原理和數(shù)學模型，并用Matlab模擬得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力曲線；通過改變光照強度和環(huán)境溫度得到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的變化，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。第五章：總結(jié)與展望?？偨Y(jié)了本文的主要研究內(nèi)容，提出了論文研究過程中的不足之處，并對未來進一步深入研究進行了展望。第二章光伏發(fā)電的相關理論知識2.1半導體的基本原理半導體是由很多以共價鍵連接的原子按照一定方式排列組成的，單原子由原子核和核外電子組成，原子核帶正電，核外電子帶負電，則單原子呈中性不帶電，因此半導體也呈電中性（李思源,張慧芳,2022)。硅是使用最廣泛的半導體材料，大部分的太陽能光伏電池的基本材料就是硅及其化合物。當原子組成分子過程中，原子與原子之間產(chǎn)生相互作用，每個原子能級將會分裂成兩個能量不一樣的能級，形成兩個能量不一樣的能帶，其中有電子存在且能量較高的能帶稱為價帶VB，價帶中的電子被稱為價電子(王宇和,劉子琪,2023)，另一個沒有電子存在且能量較低的能帶稱為導帶CB，這在某種程度上表征如圖2.1所示，處于價帶和導帶之間的稱為禁帶，禁帶的能量稱為禁帶寬度Eg，表示價帶與導帶的能量差(陳浩然,趙潔妮,2021)。導帶CB導帶CB價帶VB禁帶寬度Eg低能級高圖2.1能帶示意圖導電物體能夠?qū)щ姷脑蛑饕且驗殡娮釉谕怆妶龅淖饔孟庐a(chǎn)生定向運動，即電子從一個能帶躍遷到另一個能帶，這在一定層面上證明從而產(chǎn)生電流，產(chǎn)生導電性。當電子脫離共價鍵形成自由電子后，就會剩下一個帶正電的空位，這個空位被稱為空穴。由于每產(chǎn)生一個自由電子就會出現(xiàn)一個空穴，即空穴和自由電子是成對出現(xiàn)的，所以他們常被稱為電子-空穴對(劉書敏,鄭俊林,2021)。為保障研究結(jié)果的可靠性和可信度，本文本階段研究成果通過廣泛搜集和審閱國內(nèi)外相關領域的經(jīng)典與前沿文獻構(gòu)建了一個堅實的研究背景框架。圖2.2展示的分別是導體、半導體和絕緣體的能帶示意圖。對于導體來說，從這些現(xiàn)象中顯示價帶只有一部分被電子充滿，而且價帶與導帶之間沒有間隙，甚至產(chǎn)生重疊，在外電場的作用下，價帶中的價電子很容易躍遷到?jīng)]有電子的導帶中去，從而形成電流或傳遞熱量，因此導體具有良好的導電性和導熱性。然而，在絕緣體中，價帶被價電子充滿，價帶和導帶間的禁帶寬度很寬，價電子被共價鍵連接著，很難發(fā)生躍遷，不容易產(chǎn)生能夠自由移動的電子，因此，絕緣體的導電性能和導熱性能較差(黃志遠,周曼琳,2021)。半導體的價帶也被價電子充滿，禁帶寬度Eg大約在0.5~3eV之間，這一過程不僅確認了研究結(jié)果能得到現(xiàn)有理論的支持，還提出了新的見解或補充，進一步充實和擴展了相關理論。與可見光光子的能量相匹配，只要有能量大于禁帶寬度的光子就可以被吸收，鑒于本文的研究目的這種情況被納入了研究視野從而激發(fā)價電子躍遷到導帶，產(chǎn)生電流，因此，半導體的導電性能和導熱性能不及導體那么強，但也不似絕緣體那樣毫不導電，性能介于兩者之間(高宇哲,王麗華,2021)。導帶導帶價帶導帶導帶價帶價帶禁帶禁帶(a)(b)(c)圖2.2導體、半導體和絕緣體的能帶示意圖(a)導體；(b)半導體；(c)絕緣體2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，利用的關鍵原理是光伏電池的光生伏特效應。這在某種程度上見證著根據(jù)運行方式不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種(龔嘉怡,李昊天,2021)。這不僅增強了本文對相關機制的理解，還為后續(xù)研究提供了有力的支持。此發(fā)現(xiàn)進一步鞏固了該領域內(nèi)其他類似研究所得到的結(jié)論，促進了理論框架的完善與發(fā)展。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在分散在用電地區(qū)旁邊的光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用當?shù)氐臈l件，因地制宜，由于分散建設，則可以就近發(fā)電使用。其中應用最多的是在普通居民屋頂或者使建筑物屋頂上的太陽能光伏電池板，這種應用輸出功率相對較小，這在某種意義上表明了但可以有效利用當?shù)氐奶柲苜Y源，清潔高效，安全性高，可靠性高，安裝成本小，解決了電能在升壓運輸過程中的損耗問題，當周圍電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者部分地區(qū)用電緊張時，從這些標準可以感受到可以作為應急電源供其使用(李宇恒,薛夢婷,2021)。依靠這這一階段性的總結(jié)不僅是對前面討論的總體回顧，它集中體現(xiàn)了前期研究的核心觀點，并為理解所涉及的問題提供了整合性的視角。獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)也叫離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)，屬于直流光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由太陽能光伏電池組件、控制器和蓄電池組成，可直接與直流負載相連，若要連接交流負載為其提供電能，則需在中間添加一個逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。當白天陽光充足時(宋嘉俊,陳曉玲,2021)，從這些觀點中看出太陽能光伏電池組件起到主要作用，直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的電能不僅用來給負載供電，多余的電能還能給蓄電池充電，貯存一部分能量；當夜間或者下雨天等光照條件不好的時候，此時光伏電池組件的效率較低，起主要作用的是蓄電池，由它放出電能為負載提供動力(許澤宇,楊雨萱,2021)。光伏電池組件光伏電池組件控制器蓄電池充放電逆變器交流負載直流負載圖2.3獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在此類背景里并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對于蓄電池的存在可有可無[59]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，主要由太陽能光伏電池組件、控制器和并網(wǎng)逆變器等部分組成[60]，光伏電池組件發(fā)出的電能經(jīng)過并網(wǎng)逆變器和變壓器直接輸入到電網(wǎng)，不需要蓄電池充電放電來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，避免了中途能量損耗，減小了系統(tǒng)的發(fā)電成本，減少了系統(tǒng)的使用面積，在此類背景下提高了太陽能資源的利用率(朱曉彤,張昊天,2021)。本文深入分析了現(xiàn)有方法，識別出復雜且不必要的步驟予以剔除，優(yōu)化了流程架構(gòu)，構(gòu)建出一個更加簡潔高效的計算系統(tǒng)。控制器的主要作用是監(jiān)控和管理整個光伏發(fā)電系統(tǒng)每一個發(fā)電流程的工作狀態(tài)，例如可控制光伏電池組件輸出始終處于最大功率點處。并網(wǎng)逆變器的主要作用是將光伏電池組件產(chǎn)生的直流電逆變成交流電，可直接與交流負載連接并為其提供能量，也可以經(jīng)過升壓變壓器升壓后并入電網(wǎng)(羅珊珊,劉瑾萱,2021)。在這類似的場合配置了儲能裝置的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有一定的應急功能，當電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障或者整體停電時，可以利用儲能裝置繼續(xù)對負載進行供電，可用于應急供電系統(tǒng)[61]。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)適用于大規(guī)模光伏電站發(fā)電，在用電高峰期時，還可以用于調(diào)節(jié)用電，是太陽能光伏發(fā)電的主要發(fā)展方向，也是目前極具前景的能源利用技術(鄧澤文,黃婷嫻,2021)。通過跨領域的協(xié)作與對話，本文成功地將多個知識范疇的理論與方法相結(jié)合，為處理復雜問題提供了新穎的視角和解決方案。光伏電池組件光伏電池組件直流變換器并網(wǎng)逆變器交流負載變壓器電網(wǎng)蓄電池交流負載充放電控制器圖2.4并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)隔離方式的不同，又可將并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)分為隔離式和非隔離式兩種(何彥博,劉春華,2021)[62]。隔離式并網(wǎng)變壓器根據(jù)頻率不同又可分為工頻型和高頻型，在光伏逆變器發(fā)展初期多使用工頻型變壓器隔離，雖然算法簡單，但這種隔離方法成本高、損耗大，且變壓器的體積和重量也大，高頻型變壓器隔離方法的出現(xiàn)解決了這些問題[63]。從這些表現(xiàn)中看出非隔離式變壓器可分為單級式和雙級式(崔子墨,王晨曦,2021)。單級式光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列直接與光伏逆變器連接并網(wǎng)發(fā)電，因此該逆變器的設計結(jié)構(gòu)復雜，不僅要實現(xiàn)最大功率追蹤控制，還要實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)控制，結(jié)構(gòu)簡單，使用器件數(shù)量少，考慮到本文的研究范圍這種情況被納入了分析體系適合于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電(孫思佳,陳東浩,2021)[64,65]。這一結(jié)果與已有文獻的相似性，不僅驗證了前期研究的正確性，還進一步突出了該領域研究的連續(xù)性和累積性。雙級式光伏發(fā)電系統(tǒng)由兩級組成，分別是前級DC-DC直流變換器和后級DC-AC逆變器，前級DC-DC直流變換器的作用是實現(xiàn)光伏電池組件輸出電壓的升壓控制，并使光伏發(fā)電系統(tǒng)始終處于最大功率點處工作，這在某種程度上揭示出后級DC-AC逆變器則是將前級變換器升壓后得到的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓相同頻率、相同相位滿足并網(wǎng)條件的交流電，從而實現(xiàn)并網(wǎng)。這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)比單級式簡單，且前后兩級變換器互不干擾，可靠性高，轉(zhuǎn)換效率高，成本低，體積小，便于整體設計(馮嘉榮,劉逸萱,2021)[66~68]。2.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求光伏發(fā)電系統(tǒng)無論是向交流負載供電還是直接與電網(wǎng)相連，都要滿足電能質(zhì)量要求，電壓、頻率、波形和功率因素等都需滿足規(guī)定要求并符合相關標準[69]。如果在并網(wǎng)過程中出現(xiàn)較大偏差，系統(tǒng)檢測到某處出現(xiàn)異常，就會自動斷開與電網(wǎng)的連接(王家輝,周佳雯,2021)。首先，對于工作電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時其電壓需與電網(wǎng)電壓相匹配。當系統(tǒng)正常運行時，當電網(wǎng)為三相且電網(wǎng)電壓為20kV及以下時，電網(wǎng)的額定電壓為400V；當電網(wǎng)為220V單相時，額定電壓為230V。從這些策略中看出根據(jù)國家《電能質(zhì)量供電電壓偏差》規(guī)定，并網(wǎng)過程中允許的電壓偏差需以電網(wǎng)的額定電壓作為標準電壓進行計算，三相電壓的允許電壓偏差范圍為372~428V，是電網(wǎng)額定電壓的±7%，單相電壓的允許電壓偏差范圍為207~246.1V，是電網(wǎng)額定電壓的+7%、-10%[70]。因此，當光伏發(fā)電系統(tǒng)需要并網(wǎng)時，電壓偏差需要在該范圍之內(nèi)才能實現(xiàn)并網(wǎng)。上述研究為既有理論體系帶來了關鍵的證據(jù)，其中深入的分析與結(jié)果不僅進一步確認了理論的有效性，還通過對比不同條件下的分析數(shù)據(jù)，揭示了理論在不同情況下的適應性與限制。其次，光伏發(fā)電系統(tǒng)需和電網(wǎng)同步運行，從這些案例中說明光伏系統(tǒng)的頻率也要保持與電網(wǎng)頻率一致。我國規(guī)定的電網(wǎng)的額定頻率為50Hz，系統(tǒng)的頻率也要保持在50Hz，當容量較小時，系統(tǒng)允許出現(xiàn)的偏差為額定頻率的±0.5Hz，即光伏發(fā)電系統(tǒng)的頻率可以工作在49.5~50.5Hz之間(梁宇辰,王子琪,2021)[71]。尤其值得一提的是，作者深入探究了與方佳佳教授在相關主題研究中的結(jié)論的異同，通過這種對比與分析，不僅深化了對研究主題的認識，也為后續(xù)研究提供了有價值的參考和啟示，為研究的進步和創(chuàng)新提供了重要支持。接著，除了頻率一致之外，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出波形和電網(wǎng)能量都應該是正弦波，如果在運行過程中兩者相互作用產(chǎn)生擾動，則可能會導致電網(wǎng)電壓波形過度變形，產(chǎn)生畸變，從而引發(fā)諧波，造成污染[72]。若已產(chǎn)生諧波干擾作用，則需在系統(tǒng)中安裝濾波器消除諧波(丁思成,馬鈺婷,2021)[73]。最后，對于功率因數(shù)，我國規(guī)定單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率因數(shù)無論超前還是滯后都不應小于0.95[74]。

第三章光伏電池的模型和輸出特性3.1光伏電池的工作原理太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中至關重要的一個部件就是光伏電池，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的中樞和根本。太陽能光伏電池利用的是半導體界面的特性將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這無疑證明了事實是利用太陽能的一種普遍的簡單的裝置(陳佩瑜,李澤林,2021)。由于光伏電池的輸出功率不僅受器件本身材料的影響，還受太陽能光照強度、外接負載、環(huán)境溫度等因素的影響，且單個電池的容量較小，因此光伏電站中一般將多個獨立的光伏電池板封裝成光伏電池組件，然后再按照容量要求將光伏組件通過串聯(lián)或并聯(lián)的形式組成光伏陣列進行發(fā)電(林俊杰,周曼婷,2021)。本階段研究發(fā)現(xiàn)關鍵變量間的關聯(lián)情況及趨勢與模型預測相吻合，這不僅提升了理論架構(gòu)的可信程度，也為深入分析該領域的復雜關系提供了實證基礎。光伏電池本質(zhì)上可以認為是一個大規(guī)模的P-N結(jié)二極管，由N型半導體材料和P型半導體材料相接觸而形成，利用半導體材料的光生伏特效應將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘75]。由于P-N結(jié)具有非對稱性，N區(qū)的電子濃度遠高于空穴濃度，P區(qū)的空穴濃度遠高于電子濃度，在其中可以看出當兩者相接時，濃度高的就會向濃度低的地方擴散，P區(qū)的空穴比N區(qū)的濃度大，則空穴從P區(qū)擴散到N區(qū)，N區(qū)的電子比P區(qū)的濃度大，則電子便會向P區(qū)擴散(朱昊宇,郭茜茜,2021)。失去空穴后P區(qū)呈現(xiàn)負電荷，N區(qū)失去電子后呈現(xiàn)正電荷，空穴和電子的擴散使得P區(qū)和N區(qū)中間交界的一段小區(qū)域內(nèi)形成一個不能移動的空間電荷區(qū)，這在一定程度上凸顯了因為該區(qū)域內(nèi)的帶電粒子不能自由移動，并在此基礎上引入修正迭代優(yōu)化來構(gòu)建適應性更強的研究過程，并被應用于修正和完善現(xiàn)階段的成果，以提高其預測準確性和實用性，確保了研究結(jié)果的可信度和泛化能力。所以該電荷區(qū)被稱為耗盡層，耗盡層內(nèi)形成內(nèi)電場，內(nèi)電場方向從帶正電的N區(qū)指向帶負電的P區(qū)，內(nèi)電場的出現(xiàn)有助于濃度低阻礙了載流子的擴散，從而達到動態(tài)平衡，形成了P-N結(jié)，如圖3.1所示(王欣怡,趙志峰,2021)。圖3.1P-N結(jié)的形成原理圖當有太陽光照射在P-N結(jié)上時，有一部分的光被反射出去，還有一部分光被P-N結(jié)吸收，當光子具有的能量大于半導體的禁帶寬度Eg時，就能激發(fā)P-N結(jié)中的電子從而產(chǎn)生電子-空穴對，使P-N結(jié)內(nèi)部的電荷分布發(fā)生變化(黃志超,張曦雯,2021)。在內(nèi)電場的作用下，這在一定程度上展現(xiàn)了這些電子-空穴對產(chǎn)生分離，電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)移動，導致N區(qū)電子累積增多，P區(qū)空穴累積增多，在實際檢驗環(huán)節(jié)中，精心策劃了一系列測試來驗證方案的有效性與穩(wěn)定性，采用了嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)采集和解析手段確保結(jié)果的準確無誤。從而P-N結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生從P區(qū)指向N區(qū)的電流，該電流方向與內(nèi)電場方向相反，稱為光生電流。光生電流一部分用來抵消P-N結(jié)內(nèi)部的內(nèi)電場電流，剩余部分使P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生光生電動勢，這就是光生伏特效應(黃宇翔,邱麗婷,2021)[76]。因此，與普通電池相比，光伏電池可以看作一個非線性的電流源，產(chǎn)生的功率與光照強度有關，若光照強度不變，電流也幾乎不變化，只要存在一定的光照條件，光伏電池就可以源源不斷地發(fā)電。而普通電池則相當于一個電壓源，這在一定層面上體現(xiàn)了產(chǎn)生的電壓由正負兩極的化學勢差引起，當內(nèi)部的能量耗盡時，電池就會失效(邵文琪,徐浩翔,2021)。本文從成本效率的視角來看，新方案大幅度降低了實施與維護的費用，減少了資源的無謂消耗，提升了經(jīng)濟成效。3.2光伏電池的數(shù)學模型由于光伏電池的輸出隨著太陽能光照強度和環(huán)境溫度變化而變化，且不成任何線性關系，因此可以將光伏電池等效為一個非線性直流電源[77]。圖3.2為光伏電池的等效電路模型。其中，Isc在理想情況下即為光伏電池在光電效應下產(chǎn)生的光生電流IL，若太陽能光照強度S增大時，這在一定程度上體現(xiàn)該值也會變大，若光照強度一定時，可以通過增大光伏電池板的面積來增大該電流(張韻婷,何佳慧,2021)；Id為流過P-N結(jié)的反向飽和電流；Rsh為光伏電池的等效并聯(lián)電阻，即由于P-N結(jié)不理想或附近有雜質(zhì)導致的漏電阻，Rs為光伏電池的等效串聯(lián)電阻，即由半導體材料基體電阻、電極電阻、接觸電阻等構(gòu)成的總串聯(lián)電阻，RL為外接負載電阻；I為電池的輸出電流，U為電池的輸出電壓(周家琪,林淑媛,2021)。圖3.2光伏電池的等效電路模型光伏電池的輸出電壓和電流之間的數(shù)學表達式為：I=式中，q為一個電子所帶電荷量的多少，q=1.6×10-19C；n為光伏電池的理想因子，1＜n＜2；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；T為環(huán)境溫度。式(3.1)準確描述了光伏電池的輸出特性，但其中參數(shù)眾多，求解復雜，難以用于實際計算中，因此，在實際應用中，通過化簡上式，建立相應的數(shù)學模型來進行分析和求解(馬宏遠,趙欣妍,2021)。這在一定程度上詮釋了由于光伏電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點處電流Im、最大功率點處電壓Um這些重要參數(shù)是在標準測試條件（光照強度S=1000W/m2，環(huán)境溫度T=25℃）下測得的，且由商家提供，可以將式(3.1)化簡為由這四個參數(shù)構(gòu)成的表達式(劉佳瑞,王宇晨,2021)。對此本文也進行了結(jié)論的復核，本階段研究成果在理論上確保了研究假設的合理性和邏輯一致性。由于實際情況下，為了提高轉(zhuǎn)換效率，光伏電池等效電路模型中的等效串聯(lián)電阻Rs數(shù)值很小，則可以將其忽略，等效并聯(lián)電阻很大，則可以忽略(U+IRs)/RshI=引入兩個中間變量C1和C2，令Id=CI=I當光伏電池處于最大功率點處時，即I=Im，U=Im由于在標準情況下，expUI由式(3.5)可求解出C1的表達式為：C將式(3.6)代入到式(3.3)得：I=當光伏電池中五電流通過或阻值很大處于開路狀態(tài)時，即I=0，U=0=I由于exp1/C0=由式(3.9)可求解出C2的表達式為：C根據(jù)已知的光伏電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點處電流Im、最大功率點處電壓Um就可以計算出C1、C2兩個參數(shù)，將其代入到式(3.3)就可以完整得到標準環(huán)境下光伏電池輸出電流和輸出電壓之間的關系式，即光伏電池的輸出特性(陳宏宇,趙文杰,2021)。為了確保研究結(jié)果的精確無誤，本研究全面考慮了研究過程中可能出現(xiàn)的各種偏差，并在研究設計、數(shù)據(jù)搜集、分析策略等多個環(huán)節(jié)實施了嚴密的防控手段。由于光伏電池的輸出特性隨太陽能光照強度和環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生相應的改變，光伏電池不可能一直處于標準環(huán)境下工作，則上述得到的標準環(huán)境下的輸出特性關系式不能完全準確地用來描述非標準環(huán)境下光伏電池的輸出電流和電壓之間的關系，處在這種氛圍內(nèi)因此需要對標準環(huán)境下的輸出特性關系式進行修正(孫浩然,周志鵬,2021)。當光照強度和環(huán)境溫度發(fā)生變化時，光伏電池的基本參數(shù)也會發(fā)生變化，即光伏電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點處電流Im、最大功率點處電壓Um都會發(fā)生變化，通過計算實時光照強度差值?S和環(huán)境溫度差值?T，得到最新時刻的Isc’、Uoc’、Im’和Um’，從而得到該時刻的光伏電池輸出特性關系式(王晨曦,張彬彬,2021)。最新時刻光照強度與標準環(huán)境下的光照強度差值?S為：?S=S式中，S表示最新時刻實際環(huán)境下的光照強度，Sref表示標準環(huán)境下的光照強度。在這個框架內(nèi)最新時刻環(huán)境溫度與標準環(huán)境下的環(huán)境溫度差值?T為(鄧志濤,楊力行,2021)：?T=T?式中，T表示最新時刻實際環(huán)境下的溫度，Tref表示標準環(huán)境下的溫度。則實際情況下光伏電池下的基本參數(shù)可由下列公式修正得到：Isc'UImU在上述公式中，α為電流變化溫度補償系數(shù)，取0.0025/℃，β為光照補償系數(shù)，取0.5/(W/m2)，γ為電壓變化溫度補償系數(shù)，取0.00288/℃。為保證數(shù)據(jù)的精確與全面，本文采用了多渠道數(shù)據(jù)資源進行交叉驗證，直觀展現(xiàn)了研究對象的真實面貌。由此可推斷出實際情況下光照強度和環(huán)境溫度等外界環(huán)境的變化引起光伏電池的輸出電流和電壓的變化量為(高俊杰,劉昊然,2021)：?I=α?U=?β?T#修正后的光伏電池的輸出特性關系式為：I=光伏電池最大功率點處的輸出功率為：P從中可以得出結(jié)論通過利用輸出電流和輸出電壓的變化量來修正實際輸出電流，這種方法計算簡單，成本低，不需要對每次最新時刻下光伏電池的四個基本參數(shù)進行修正，C1和C2也不用實時迭代更新(許瑞敏,陳嘉怡,2021)。3.3光伏電池的模型仿真與輸出特性本文選用型號為JAP60S01-270/SC的多晶光伏電池組件，其在標準測試條件（即太陽能光照強度S=1000W/m2，在這種框架下環(huán)境溫度T=25℃）下的具體技術參數(shù)如表3.1所示，廠家提供的標準測試條件下的特性曲線圖如圖3.3所示(龔雪婷,孫菲菲,2021)。表3.1光伏電池的參數(shù)參數(shù)名稱規(guī)格組件尺寸1650mm×991mm×35mm短路電流Isc9.18A開路電壓Uoc38.17V最大功率點處電流Im8.67A最大功率點處電壓Um31.13V最大功率Pm270W短路電流溫度系數(shù)KI+0.058%/℃開路電壓溫度系數(shù)KV-0.330%/℃最大功率溫度系數(shù)KP-0.400%/℃組件效率16.5%功率公差0~+5W工作溫度-40℃~85℃圖3.3JAP60S01-270/SC的電流-電壓曲線由圖3.3可知，在外電路開路的情況下，即負載電阻趨于無限大，負載上的電流趨于零時，可用電壓表測得電路兩端的電壓，兩點電位差稱為開路電壓Uoc；當外電路短路時，即負載電阻趨于零，電流從電源的一端跨過電阻直接流回電源的另一端，通過徹底檢查過去的文獻，辨識出一些未被充分利用的研究契機和關鍵點。此舉不僅強化了對現(xiàn)有理論的解讀，而且開啟了新的理論視角和分析架構(gòu)。負載上的電壓也趨于零時，這在某種程度上證實了此時流過整個電路的電流稱為短路電流Isc。PN結(jié)內(nèi)的內(nèi)電場產(chǎn)生了光生伏特效應，內(nèi)電場越強，則光生伏特效應越強，產(chǎn)生的光生電動勢就越大，開路電壓Uoc也就隨之增大(劉思涵,胡星怡,2021)。由于半導體材料的禁帶寬度Eg的變化與溫度的變化相反，這在一定程度上暗示當溫度增大時，半導體的光生伏特效應減弱，則開路電壓Uoc減小，因此光伏電池的開路電壓Uoc與溫度呈反相關，與太陽能光照強度呈正相關。同樣，短路電流Isc也與太陽能光照強度呈正相關，隨輻照量的增大而增大(李浩翔,謝曉鵬,2021)。但在光照強度一定的情況下，短路電流Isc隨溫度的變化較小，因為光伏電池被激發(fā)的電子-空穴對的數(shù)量是一定的，輸出電流不可能無限增加。在具體的研究進程里，運用前沿的研究方法與技術工具，從多個維度、全面地對該主題展開探索。因此，這在某種意義上表明了短路電流Isc與溫度和太陽能光照強度均呈正相關。根據(jù)上一小節(jié)分析的光伏電池的簡化數(shù)學模型，采用Matlab/Simulink仿真平臺搭建其仿真模型，如圖3.4所示(呂炳輝,王海濤,2021)。圖3.4光伏電池的仿真模型由于光伏發(fā)電受光照強度和環(huán)境溫度的影響較大，根據(jù)光伏電池的Matlab仿真模型，從這些對話中看出可分別得到恒定環(huán)境溫度不同太陽能光照強度下和恒定太陽能光照強度不同環(huán)境溫度下的光伏電池的輸出特性曲線，即光伏電池輸出電壓和電流的關系曲線、輸出電壓和功率的關系曲線(陳凌雪,范麗娜,2021)，如圖3.5-3.8所示，對比廠家提供的光伏電池特性曲線可知，在研究進程中，綜合各個渠道收集的數(shù)據(jù)進行分析，采用定量與定性相結(jié)合的研究方法，保障研究結(jié)果科學可靠。通過該方法簡化得到的光伏電池的數(shù)學模型與原模型具有一定的誤差，這在某種程度上表征當光照強度變化時，本文簡化模型輸出的電流變化較明顯，當溫度變化時，本文簡化模型輸出的電壓變化較明顯，但并不影響光伏電池的輸出特性，即開路電壓Uoc與溫度呈反相關與光照強度呈正相關，短路電流Isc與溫度和光照強度均呈正相關，這在一定層面上證明驗證了本文所提供的光伏電池簡化模型的可行性和普遍適用性(周嘉銘,劉藝銘,2021)。圖3.5光伏電池恒定環(huán)境溫度不同光照強度下的I-U特性曲線圖3.6光伏電池恒定環(huán)境溫度不同光照強度下的P-U特性曲線圖3.5和圖3.6分別是在恒定環(huán)境溫度不同光照強度下的光伏電池I-U曲線和P-U曲線(程志強,鄭天佑,2021)。由光伏電池的特性曲線可以看出，當電壓從零開始增大時，光伏電池的輸出電流從短路電流開始緩慢減小，幾乎看不出變化，當電壓增大到一定值后，輸出電流迅速減小，直到減為零；通過嚴格把控信息來源及實施標準化加工流程，信息的質(zhì)量得到了切實保障，同時也更加注重信息流程的公開透明與可追蹤性。光伏電池的輸出功率則是隨著電壓的增大而大幅度增大，最大到達最大功率點后便開始迅速減小，直至為零。由圖3.5可知，在標準溫度T=25℃下，從這些現(xiàn)象中顯示分別設置光照強度為700W/m2、800W/m2、900W/m2和1000W/m2，光伏電池的短路電流和開路電壓均隨光照強度的增大而變大，成正相關，但短路電流受到光照強度的影響較大，太陽能光照強度對開路電壓的影響較小(魏雪莉,趙若彤,2021)。由圖3.6可知，這清楚體現(xiàn)了每個曲線都有一個最高點，該點就是光伏電池的最大功率點，當光照強度增大時，開路電壓也隨之增大，光伏電池的最大功率點幾乎垂直于橫坐標上移，由此可知，即使光照強度的變化導致了光伏電池最大功率點的變化，但是最大功率點處的電壓值幾乎維持恒定不變(黃志超,張曦雯,2021)。圖3.7光伏電池恒定光照強度不同環(huán)境溫度下的I-U特性曲線圖3.8光伏電池恒定光照強度不同環(huán)境溫度下的P-U特性曲線圖3.7和圖3.8分別是在恒定光照強度不同環(huán)境溫度下的光伏電池I-U曲線和P-U曲線(韓雨澤,鄧玉林,2021)。從圖37可知，在標準光照強度S=1000W/m2下，環(huán)境溫度分別設置為10℃、25℃、40℃和60℃，隨著環(huán)境溫度的增大，短路電流Isc隨之增大，但增大的幅度比較微小，鑒于本文的研究目的這種情況被納入了研究視野開路電壓Uoc隨之減小，變化幅度較為明顯。由圖3.8可知，在標準光照強度S=1000W/m2下，當環(huán)境溫度增大時，光伏電池的最大功率點下移，最大功率點處的電壓減小且變化范圍較大。針對各類研究議題，靈活運用多種數(shù)據(jù)收集手段能提升數(shù)據(jù)的全面性和準確性。對于前文所述結(jié)論的核實，在此暫不進行詳細討論，其中一個關鍵原因在于時間的限制。本文選取某地區(qū)一年8760小時的輻照量數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，利用式(3.20)計算最大功率點處的輸出功率P，具體結(jié)果如圖3.9所示(李婷怡,許梓琳,2021)。圖3.9光伏電池(270W)一年內(nèi)的單位出力曲線選擇24小時的數(shù)據(jù)作為輸入，這在某種程度上見證著可得到光伏電池詳細的一天內(nèi)的出力曲線，如圖3.10所示。圖3.10光伏電池(270W)一天內(nèi)的出力曲線由圖可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力受環(huán)境影響較大，輸出功率與光照強度和環(huán)境溫度呈正相關，其中，輻照量的影響更為關鍵，當沒有輻照量或者輻照條件不好時，直接影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力。這在某種意義上表明了由此可知，雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)對于輻照的要求并不高，可以利用直射輻射、散射輻射等，但其輸出功率和經(jīng)濟效益仍取決于輻照水平(王心怡,孫佳琪,2021)。

第四章光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型和特性研究4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)模型光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體發(fā)電流程如圖4.1所示，將光伏組件按照容量要求串聯(lián)和并聯(lián)組成光伏發(fā)電陣列，然后由直流匯流箱簡化線路，將光伏電池輸出進行匯流，再通過直流升壓斬波器提高直流輸出電壓，最后經(jīng)過逆變器將前面變換輸出的直流電變成交流電，在這樣的設定里且交流電的頻率電壓等要符合并網(wǎng)的要求，從而并入電網(wǎng)為負載提供電能(魏俊杰,劉浩凱,2021)。這種一致性不僅鞏固了先前研究的結(jié)論，也為現(xiàn)有理論框架提供了額外的支持。通過周密的研究設計、數(shù)據(jù)收集及分析方法，本文能夠重復前人研究中的關鍵發(fā)現(xiàn)，并在此基礎上進行了深入討論。接下來將介紹除光伏電池以外的其他部分的數(shù)學模型。光伏組件光伏組件光伏組件光伏組件光伏組件光伏組件光伏組件……直流匯流箱DC-DC變換器逆變器電網(wǎng)……圖4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電流程4.1.1光伏匯流箱在此類背景下光伏匯流箱的主要組成部分有防雷模塊、斷路器、隔離開關、直流熔斷器、防反二極管等[78]。這些資料的選擇基于其權威性、時效性和代表性，以確保能夠從多個角度全面地反映研究主題發(fā)展的真實情況。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都安裝在戶外，所以光伏匯流箱必須進行防雷設計，保證匯流箱免受雷擊等自然災害的影響，從而保證電能的穩(wěn)定輸出。直流熔斷器的額定工作電壓高達1000V，從這些標準可以感受到硅晶組件的額定電流一般為15A，其作用就是在電流流向光伏組件產(chǎn)生倒灌現(xiàn)象時，能夠及時切斷故障串列，防止過電流和電流逆流，保證其他串列正常工作(周家琪,林淑媛,2021)。這段文字的創(chuàng)新之處主要在于其視角的獨特性，特別是在對研究問題的新穎切入點。本研究擺脫了傳統(tǒng)研究中相對有限的視角，從宏觀和微觀兩個層次進行探討，既關注整體模式也注重個體特征，為理解復雜現(xiàn)象提供了新的思考路徑。光伏匯流箱中防反二極管的作用是避免串列之間發(fā)生電流循環(huán)流動現(xiàn)象。斷路器和隔離開關是保護電路的主要器件，其主要作用是在電路發(fā)生故障的時候?qū)⑵骷碗娫磾嚅_，從這些觀點中看出保護電路，保護檢修人員的安全(劉書敏,鄭俊林,2021)。對于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，單獨一個光伏電池的輸出電壓很小，可以將相同型號的光伏電池串聯(lián)成光伏串列，再通過光伏直流匯流箱并聯(lián)輸出高壓直流電壓。光伏匯流箱不僅可以簡化光伏組件與逆變器之間的連接線路，還減小了線路損耗，并具有防雷擊功能，提高了系統(tǒng)的可靠性[79]。這不僅有助于縮短項目周期，還能降低培訓成本和用戶適應新系統(tǒng)的時間，從而更快地實現(xiàn)投資回報。本文設計的光伏電池方陣容量為1MWp，方陣一共由100個子陣列組成，每個子陣列采用2行18列布置，在此類背景里即將18個規(guī)格為270W的光伏電池組件串聯(lián)成一串，再將兩串光伏串列并聯(lián)，如圖4.2所示(黃志遠,周曼琳,2021)。18×991mm18×991mm2×1650mm圖4.2光伏發(fā)電子方陣組件布置圖每個光伏串列的輸出電壓、輸出電流和輸出功率為：U1IP則子方陣的輸出電壓、輸出電流和輸出功率為：UIP2則光伏電池方陣的輸出總電壓、總電流和總功率即直流匯流箱的輸出電壓、電流和功率為：U=I=100P=1004.1.2直流變換器由于光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化的影響較大[80]，為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力，應盡可能使光伏電池工作在出力最大點，即處于最大功率點處。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過采用DC-DC變換器來調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓，使系統(tǒng)在任何環(huán)境下都能處于最大功率點處工作，在此類背景下達到最大功率追蹤控制的目的。DC-DC變換器的種類很多，按照結(jié)構(gòu)不同，DC-DC變換電路一般分為Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路和Cuk斬波電路四種。Buck電路即為降壓斬波電路，顧名思義，該電路通過調(diào)整開關管的導通占空比從而達到降壓的目的，除此之外，還會導致光伏電池輸出電流不連續(xù)，需要在并聯(lián)一個電容器在輸出端來確保輸出是連續(xù)的(高宇哲,王麗華,2021)[29]。Buck-Boost電路即為升降壓斬波電路，既能使輸出電壓高于輸入電壓又能使其低于輸入電壓，輸出范圍較大，但輸入電壓為正時輸出電壓為負，兩者極性相反，在這類似的場合所以也稱為反極性斬波電路，也會使光伏電池輸出端出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，需要并聯(lián)儲能電容。些初步的研究結(jié)果，本文可以提出更多具有前瞻性的假設和研究路線，推動該領域的發(fā)展。Cuk斬波電路也是一種升降壓斬波電路，輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，與Buck-Boost電路相比，Cuk電路的輸入電流是連讀的，因此其輸出電流也是連續(xù)的，降低了對輸入、輸出濾波器的要求，但該電路元器件較多，當串聯(lián)電容值很大時，才能使電容電壓脈動足夠小，產(chǎn)生的線路損耗增多，從這些表現(xiàn)中看出控制較復雜(龔嘉怡,李昊天,2021)[81,82]。Boost電路即為升壓斬波電路，由于電感儲能，使得輸出電壓高于輸入電壓從而使電壓升高，若電路中電感足夠大，電路就可以始終工作在連續(xù)狀態(tài)下，且在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，該電流無需并聯(lián)電容器，電路元器件較少，損耗較小，電路結(jié)構(gòu)較簡單。為保障研究結(jié)果的可靠性和可信度，本文本階段研究成果通過廣泛搜集和審閱國內(nèi)外相關領域的經(jīng)典與前沿文獻構(gòu)建了一個堅實的研究背景框架?；谏鲜鰧@四種斬波電路的對比分析，考慮到本文的研究范圍這種情況被納入了分析體系考慮經(jīng)濟性、簡單性和可靠性等因素，本文選擇采用Boost電路作為DC-DC變換電路，其變換電路的工作原理圖如圖4.3所示，圖中，L為電感，Q為開關管，一般為全控型器件，D為二極管，C為電容，RL為外接負載，Ui為輸入電壓，iL為流入電感的電流，Uo為輸出電壓。圖4.3Boost升壓電路原理圖當開關管Q導通時，電源Ui從正極經(jīng)過A點給電感L充電，然后直接經(jīng)過開關管回到電源負極，這在某種程度上揭示出電流不經(jīng)過二極管D，所以需要電容C向負載RL供電。假設電路中電感L值很大，電容C值也很大，這樣電感充電電流iL就基本保持恒定(李宇恒,薛夢婷,2021)，記為I1，輸出電壓也為恒定值U0。這不僅增強了本文對相關機制的理解，還為后續(xù)研究提供了有力的支持。此發(fā)現(xiàn)進一步鞏固了該領域內(nèi)其他類似研究所得到的結(jié)論，促進了理論框架的完善與發(fā)展。若開關管Q開通的時間為ton，那么導通時電源給電感充電，一共儲存的能量為UiI1ton。從這些策略中看出當開關管Q截止時，電源Ui和儲存了能量的電感L產(chǎn)生電能同時經(jīng)過二極管D，然后向電容C和負載RL供電，電容C充電。若開關管Q關斷的時間為toff，那么這段時間內(nèi)電感L放出能量，釋放的能量一共為(Uo-Ui)I1toff。研究電路處于穩(wěn)態(tài)的情況，在一個周期T內(nèi)，電感L在開關管開通時一共儲存的能量應該等于其在開關管關斷時一共釋放的能量，即(宋嘉俊,陳曉玲,2021)：U化簡為：U式中，α=ton/T為導通占空比，取0.46。由于T/toff＞1，則U0>Ui，輸出電壓大于電源電壓，從而實現(xiàn)了升壓的目的，通過調(diào)節(jié)開關管Q的開通時間和關斷時間，就可以改變輸出電壓Uo的大小。4.1.3逆變器光伏電池相當于一個直流電源，但直流電源無法向交流負載供電或者并入電網(wǎng)，所以要通過一個逆變電路，即DC-AC變換電路，逆變器的作用便是使升壓后的電壓與電網(wǎng)電壓保持相同頻率和相同相位，從而并入電網(wǎng)。DC-AC逆變器的種類也有很多，按照換流方式，可將其分為自然換流和外部換流兩大類，外部換流又分為電網(wǎng)換流和負載換流兩種，自然換流又分為器件換流和強迫換流兩種(許澤宇,楊雨萱,2021)；按照輸出相數(shù)，可將其分為單相、三相和多相逆變器；按照電路結(jié)構(gòu)可分為半橋逆變和全橋逆變；從這些案例中說明按照直流側(cè)電源性質(zhì)，可分為電壓型和電流型兩類；按照輸出側(cè)有無接負載，可將其分為有源逆變和無源逆變。對于電流型逆變電路，需要在輸入側(cè)串聯(lián)一個大電感，這樣會增加系統(tǒng)的響應時間，負載短路時過電壓的危害較嚴重，依靠這這一階段性的總結(jié)不僅是對前面討論的總體回顧，它集中體現(xiàn)了前期研究的核心觀點，并為理解所涉及的問題提供了整合性的視角。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中一般采用電壓型逆變電路，過流保護比電流型逆變電路容易實現(xiàn)[83]。半橋逆變電路中元器件少，電路簡單，這無疑證明了事實但輸出交流側(cè)電壓幅值是直流側(cè)電壓幅值的一半，用于小功率逆變電源(朱曉彤,張昊天,2021)。全橋逆變電路的輸出電壓幅值是半橋逆變電路輸出電壓幅值的兩倍，且可通過調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度來改變輸出交流電壓有效值，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。本文選擇電壓型單相全橋逆變電路作為DC-AC逆變器主電路，逆變電路如圖4.4，圖中，Ud為輸入側(cè)直流電源，C為電容，用來緩沖無功能量，V1、V2、V3、V4為開關器件，VD1、VD2、VD3、VD4為反并聯(lián)二極管，給輸出交流側(cè)向輸入直流側(cè)反饋的無功能量提供通道[84]，在其中可以看出也稱為反饋二極管，同時又稱為續(xù)流二極管，R為負載，L為電感，uo為輸出交流電壓，io為輸出交流電流。圖4.4電壓型單相全橋逆變電路原理圖如圖所示，該逆變電路一共有四個橋臂，每個橋臂由一個開關管和一個反并聯(lián)二極管組成，可看成兩個半橋電路組成，橋臂1（開關管V1和反并聯(lián)二極管VD1）和橋臂4（開關管V４和反并聯(lián)二極管VD４）為一組，橋臂２（開關管V２和反并聯(lián)二極管VD２）和橋臂３（開關管V３和反并聯(lián)二極管VD３）為一組，每組橋臂中的兩個開關管同時導通同時截止，這在一定程度上凸顯了兩組交替互補導通，各導通180°，輸出電壓uo為矩形波(羅珊珊,劉瑾萱,2021)，其幅值為Um=Ud。把幅值為Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)為：u其中，基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為：UU4.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性研究根據(jù)上述介紹的光伏發(fā)電系統(tǒng)各部分的數(shù)學模型，在光伏電池數(shù)學模型的基礎上加上匯流箱、Boost斬波器和逆變器的數(shù)學模型，得到光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體模型，采用Matlab對整個光伏發(fā)電系統(tǒng)進行模擬，這在一定程度上展現(xiàn)了仍選用一年8760個輻照量數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，獲得該系統(tǒng)一年內(nèi)的輸出功率曲線，研究還指出了實踐運用中可能面臨的挑戰(zhàn)，如資源分配不合理、技術實施困難以及文化多樣性等，為未來的研究和應用提供了有益的參考。如圖4.5所示(鄧澤文,黃婷嫻,2021)。圖4.5光伏發(fā)電系統(tǒng)(1MWp)一年內(nèi)的出力曲線選擇24小時的輻照量和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，可得到一天內(nèi)的出力曲線，如圖4.5所示。圖4.5光伏發(fā)電系統(tǒng)(1MWp)一天內(nèi)的出力曲線由圖可知，當光照強度較大時，光伏發(fā)電系統(tǒng)出力較為可觀，一旦光照強度條件不足時，則直接影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，因此光伏發(fā)電受到太陽輻照資源的限制較大，呈現(xiàn)波動性和不確定性，輸出功率不平穩(wěn)，從而將會導致電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定性，仍存在改進的空間(何彥博,劉春華,2021)。本文深入分析了現(xiàn)有方法，識別出復雜且不必要的步驟予以剔除，優(yōu)化了流程架構(gòu)，構(gòu)建出一個更加簡潔高效的計算系統(tǒng)。這在一定層面上體現(xiàn)了為了研究整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率隨光照強度和環(huán)境溫度的變化情況，采用Matlab得到1MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性曲線，如圖4.6、圖4.7所示。由圖可知，當環(huán)境溫度恒定為25℃時，分別設置光照強度為700W/m2、800W/m2、900W/m2和1000W/m2，系統(tǒng)的輸出功率隨著太陽能光照強度的增大而變大；當光照強度恒為1000W/m2時，分別設置環(huán)境溫度為10℃、25℃、40℃和60℃，系統(tǒng)的輸出功率隨著環(huán)境溫度的升高而變小(崔子墨,王晨曦,2021)。這在一定程度上體現(xiàn)由此可見，整個系統(tǒng)的輸出功率隨太陽能光照強度和環(huán)境溫度的變化趨勢與光伏電池的輸出變化趨勢類似，證明了光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分，也驗證了本文所設計的光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可行性和普遍性。圖4.6光伏發(fā)電系統(tǒng)(1MWp)恒定環(huán)境溫度不同光照強度下的P-U特性曲線圖4.7光伏發(fā)電系統(tǒng)(1MWp)恒定光照強度不同環(huán)境溫度下的P-U特性曲線

第五章總結(jié)與光熱發(fā)電技術相比，光伏發(fā)電技術目前較為成熟，應用廣泛，且成本較低，大部分地區(qū)可實現(xiàn)平價上網(wǎng)。因此，本文以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主要研究對象，完成了以下幾方面的內(nèi)容：（1）簡要概述了光伏發(fā)電的特點，介紹了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)和國外幾個典型國家的發(fā)展近況和太陽能光伏電池的發(fā)展歷程，還介紹了三種常見光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型以及主要組成部分，說明了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)要求，電壓、頻率、波形和功率因素等都需滿足規(guī)定并網(wǎng)要求并符合相關標準。（2）詳細分析了半導體的基本原理和光伏電池的工作原理，即利用電子和空穴的移動產(chǎn)生光生伏特效應，從而產(chǎn)生光生電流，這在一定程度上詮釋了可相當于電流源；研究了光伏電池的等效電路，認為等效串聯(lián)電阻無限小、等效并聯(lián)電阻無限大，簡化了電路，建立了對應的數(shù)學模型；采用Matlab仿真平臺得到光伏電池的仿真模型，進行了光伏電池的特性研究，得出結(jié)論：影響光伏電池輸出功率的主要因素是光照強度和環(huán)境溫度，其中光伏電池的開路電壓Uoc隨著溫度的升高而變小，隨著光照強度的增大而變大，短路電流Isc隨著溫度和光照強度的增大而變大，當光照強度增大或者溫度降低時，光伏電池最大功率點處的輸出功率值也會變大。（3）確定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量為1MWp，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他部分進行選型，直流換流器選擇Boost升壓斬波器，逆變器選擇電壓型單相全橋逆變電路，研究其工作原理和數(shù)學模型，并用Matlab模擬得到1MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力曲線。參考文獻《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2018—2020出版專題[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng),2021,4(01):104.李思源,張慧芳,M.B.MCELROY.關于能源轉(zhuǎn)型分析的評述(一)轉(zhuǎn)型要素及研究范式[J].電力系統(tǒng)自動化,2022,42(09):1-15.AIE.WorldEner