標(biāo)準(zhǔn)化視域下光伏電池輸出特性與最大功率跟蹤研究

曲春英

（海南師范大學(xué)，海南 ?？?571158）

據(jù)國(guó)家能源局相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2023年，我國(guó)光伏電池產(chǎn)量達(dá)到541.16 GW，同比增長(zhǎng)54%，在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域當(dāng)中占據(jù)了關(guān)鍵性地位。作為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵性組件，光伏電池運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的影響要素較為復(fù)雜，有關(guān)研究者以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)需要從實(shí)際出發(fā)針對(duì)不同環(huán)境條件下光伏電池的輸出表現(xiàn)情況進(jìn)行綜合分析，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)展相關(guān)研究，同時(shí)為光伏電池的功率輸出與運(yùn)行提供更加合理的解決方案。

1 光伏電池的主要工作原理

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏電池的工作原理也在逐步升級(jí)變化?，F(xiàn)階段市場(chǎng)環(huán)境下常見(jiàn)的光伏電池主要分為單晶硅電池以及多晶硅電池兩種主要類別，基于半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，能夠使材料內(nèi)部電荷數(shù)量產(chǎn)生變化，使材料不同部位之間產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而形成電流輸出，實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。

為了更加清晰地針對(duì)光伏電池的工作原理進(jìn)行梳理與分析，基于特殊模型進(jìn)行分析與解釋。在硅原子外部共有14個(gè)電子圍繞，而其內(nèi)部10個(gè)電子則會(huì)被原子核束縛，因此在外部環(huán)境因素刺激與影響下，外層四個(gè)電子可能會(huì)轉(zhuǎn)化成為自由電子，其原有的位置則會(huì)成為空穴，并與電子的極性相反。當(dāng)N硅與P硅相結(jié)合時(shí)，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，而N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在這一過(guò)程當(dāng)中，N區(qū)帶正電，P區(qū)帶負(fù)電，半導(dǎo)體材料內(nèi)部出現(xiàn)電場(chǎng)，材料兩端產(chǎn)生電壓，當(dāng)光子能量超出半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生電流。為了進(jìn)一步展現(xiàn)出半導(dǎo)體光伏材料的電學(xué)性能，充分降低材料內(nèi)部電阻，使其能夠在工業(yè)發(fā)電領(lǐng)域得到更加廣泛地應(yīng)用，將上述材料制成板狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用導(dǎo)線對(duì)負(fù)載進(jìn)行外接，形成光伏電池。

在針對(duì)光伏電池輸出特性以及最大功率進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，應(yīng)分別遵循《光伏組件耐久性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》（IEC61215-2：2021）、《光伏組件安全認(rèn)證》（IEC61730-1：2016）、《光伏組件性能測(cè)試和能效評(píng)定》（IEC61853-1-2018）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。

2 模型構(gòu)建與分析

2.1 等效物理模型構(gòu)建

基于上文可知，光伏電池的運(yùn)行原理乃至工作模式主要基于半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，當(dāng)外部光照強(qiáng)度不變時(shí)，材料所產(chǎn)生的光生電流同樣也較為穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)與變化。因此，在等效物理模型構(gòu)建的同時(shí)，可將光伏電池作為理想狀態(tài)下輸出恒定的電源，并能夠基于負(fù)載提供相應(yīng)電能支持。在這一過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生端電壓與電流，電流與光生電流方向相反。除此之外，受到材料、工藝以及環(huán)境特性等相關(guān)因素的影響，在光伏電池運(yùn)行和工作過(guò)程當(dāng)中，還可能會(huì)產(chǎn)生一定程度上的電阻，導(dǎo)致電流在光伏電池材料當(dāng)中的流動(dòng)產(chǎn)生一定阻礙。具體電阻類別包括純電阻、旁漏電阻等。因此，光伏電池的運(yùn)行原理以及工作模式可基于以下公式進(jìn)行表述：

式中，I代表光伏電池運(yùn)行工作過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的電流，U代表光伏電池運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的電壓，Ish代表流經(jīng)電阻的電流量，Rsh代表旁漏電阻數(shù)值，Rs代表不同材料之間連接過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的串聯(lián)電阻，Iph表示理想狀態(tài)下恒定不變的光生電流數(shù)值，Id表示端電壓引發(fā)的電流。

通過(guò)光伏電池運(yùn)行過(guò)程等效物理模型的構(gòu)建，能夠在一定程度上較為直觀地將電池的工作原理以及能源轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行展現(xiàn)，從而為相關(guān)研究的開(kāi)展提供相應(yīng)支持。

2.2 工程用數(shù)學(xué)模型

在實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，為進(jìn)一步考慮到成本、環(huán)境以及系統(tǒng)可靠性等相關(guān)要素的影響，在模型建構(gòu)的過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)遵循可行性原則，將開(kāi)路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流以及最大功率點(diǎn)電壓等四項(xiàng)基本參數(shù)納入模型當(dāng)中，確保最終分析結(jié)果與光伏電池實(shí)際運(yùn)行情況之間的一致性，使其能夠更好地為光伏電池的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供相應(yīng)參考。

在光伏電池實(shí)際運(yùn)作過(guò)程當(dāng)中，光生電流量往往顯著高于流經(jīng)電阻電流量，因此實(shí)際工程用模型內(nèi)部可適當(dāng)忽略電阻值所造成的影響。此外，在分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，將光生電流量與短路電流量設(shè)定為同值，確保最大功率點(diǎn)電流、電壓符合實(shí)際狀況。最終可得電壓、電流數(shù)值模型為：

式中，Isc為短路電流值，Uoc為開(kāi)路電壓值，Im為最大功率點(diǎn)處電流值，Um為最大功率點(diǎn)處電壓值?；谏鲜娇傻茫谡莆绽硐霠顟B(tài)下光照強(qiáng)度以及電流電壓情況下，即能夠通過(guò)相關(guān)公式與模型針對(duì)最大功率點(diǎn)部位的電流與電壓數(shù)值進(jìn)行推算，使研究者以及技術(shù)團(tuán)隊(duì)能夠掌握光伏電池工作運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中電壓與電流之間的函數(shù)關(guān)聯(lián)，為后續(xù)分析和研究提供相應(yīng)支持。

2.3 實(shí)驗(yàn)與特性分析

從上文能夠得知，基于太陽(yáng)能光伏電池實(shí)際運(yùn)行原理以及運(yùn)行狀況，分別基于理想狀態(tài)下以及工程實(shí)際情況分別給出了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以及推算過(guò)程，使仿真實(shí)驗(yàn)研究工作的開(kāi)展能夠獲取到充分的信息資料，為相關(guān)研究工作的開(kāi)展提供了更加堅(jiān)實(shí)的支持。

首先，為保障仿真實(shí)驗(yàn)研究工作的順利開(kāi)展，需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及研究環(huán)境進(jìn)行選定。在本次研究過(guò)程當(dāng)中，為兼顧最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠以及實(shí)驗(yàn)分析流程的便捷高效，選用Matlab平臺(tái)當(dāng)中Simulink工具提供相應(yīng)支持，結(jié)合平臺(tái)相關(guān)工具功能，能夠?qū)⒑侠淼碾姵剡\(yùn)行參數(shù)導(dǎo)入到上文所搭建的相關(guān)模型當(dāng)中，并開(kāi)始進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，給出相應(yīng)仿真結(jié)果并總結(jié)相關(guān)規(guī)律。

其次，需要針對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行分析，在針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析的過(guò)程當(dāng)中，所選擇的實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及仿真對(duì)象應(yīng)兼顧代表性與可行性，本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中選用CSUN200-72M光伏電池的運(yùn)行情況開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)，基于該型電池運(yùn)行情況以及性能指標(biāo)，將模型最大功率點(diǎn)電壓值設(shè)定為37.6 V，最大功率點(diǎn)電流值設(shè)定為5.32 A，開(kāi)路電壓值設(shè)定為45.3 V，短路電流值設(shè)定為5.72 A，整個(gè)電池系統(tǒng)最大功率設(shè)定為200 W。

最后，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)研究最終結(jié)果給出相應(yīng)特性總結(jié)與分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行條件下，光伏電池的電流與電壓曲線呈現(xiàn)出先平緩發(fā)展后突然下降的趨勢(shì)，在光照條件、溫度條件標(biāo)準(zhǔn)化，電壓值在0～30 V的條件下，光伏電池電流值長(zhǎng)期保持在5.7 A左右的水平，而在電壓值為30～45 V區(qū)間時(shí)，光伏電池電流值急劇下降，從5.7 A劇烈下降至0，因此標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏電池的I/U并不存在線性關(guān)系。另外，從電池P/U關(guān)系仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，其函數(shù)曲線呈現(xiàn)出先生后將的特性，其中，當(dāng)光伏電池電壓從0 V提升至35 V時(shí)，電池的輸出功率從0大幅度攀升至200 W，而當(dāng)電壓達(dá)到37 V時(shí)，電池輸出功率開(kāi)始下降，最終在電壓達(dá)到45 V時(shí)功率為0。在此基礎(chǔ)上，由于太陽(yáng)能光伏電池日常運(yùn)行工作過(guò)程當(dāng)中外界環(huán)境因素可能會(huì)帶來(lái)較為顯著的影響，因此溫度與光照強(qiáng)度的變化對(duì)于參數(shù)關(guān)聯(lián)曲線也會(huì)產(chǎn)生一定影響，其中，當(dāng)光照強(qiáng)度相同時(shí)，不同溫度下電流電壓曲線當(dāng)中的極值以及下降閾值均發(fā)生了相應(yīng)變化。

建模與計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)嚴(yán)格遵循《光伏發(fā)電系統(tǒng)模型及參數(shù)測(cè)試規(guī)程》（GB/T 32892-2016）、《光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導(dǎo)則》（GB/T 32826-2016）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件。

3 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真

研究團(tuán)隊(duì)以及技術(shù)人員還需要針對(duì)電池最大功率點(diǎn)的運(yùn)行和工作狀態(tài)進(jìn)行跟蹤研究，并為相關(guān)方案的建設(shè)提供參考和依據(jù)。

3.1 MPPT控制策略

作為光伏電池技術(shù)研究領(lǐng)域當(dāng)中的重要組成部分，基于最大功率點(diǎn)進(jìn)行的跟蹤仿真工作同樣也具備關(guān)鍵性作用。常見(jiàn)的跟蹤仿真技術(shù)手段涵蓋了擾動(dòng)觀測(cè)、電導(dǎo)增量等幾種不同方式，具體流程如下。

3.1.1 擾動(dòng)觀測(cè)

在太陽(yáng)能光伏電池的工作和運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，其內(nèi)部電壓與功率的關(guān)系往往呈一定規(guī)律變化特點(diǎn)，及時(shí)掌握電池電壓功率的函數(shù)變化曲線，對(duì)于明確最大功率點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行工況，同時(shí)做好光伏電池的運(yùn)行管理與調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵性作用。

在本次研究過(guò)程當(dāng)中，結(jié)合案例太陽(yáng)能光伏電池的電壓功率波動(dòng)特性，選取了四個(gè)跟蹤觀測(cè)點(diǎn)位，并針對(duì)觀測(cè)過(guò)程當(dāng)中光伏電池的電壓狀態(tài)以及輸出功率變化情況進(jìn)行記錄，結(jié)果顯示，在最大功率點(diǎn)前，隨著光伏電池電壓值的不斷增大，電池的輸出功率同樣也呈提升趨勢(shì)，功率與電壓之間成正比關(guān)系，到達(dá)最大功率點(diǎn)后，隨著電壓值的不斷增加，電池的輸出功率值開(kāi)始下降，因此在太陽(yáng)能光伏電池運(yùn)行管理與協(xié)調(diào)過(guò)程中，需要結(jié)合電池形態(tài)掌握其最大功率點(diǎn)性能指標(biāo)以及性能參數(shù)，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)電池運(yùn)行監(jiān)控工作，在輸出功率到達(dá)最大功率點(diǎn)之前，應(yīng)持續(xù)增加電池電壓，使其能夠逐步達(dá)到最佳工作狀態(tài)，而當(dāng)電壓超出閾值導(dǎo)致功率下降時(shí)，則應(yīng)當(dāng)按照光伏電池運(yùn)行特性適當(dāng)減少電壓，確保其輸出功率達(dá)標(biāo)。

由于這一觀察與實(shí)驗(yàn)方法的流程較為簡(jiǎn)便，最終效果較好，因此在太陽(yáng)能光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用較為廣泛，但這一策略與方法依然存在一定不足與局限性，受到該方法模式的影響，導(dǎo)致其跟蹤過(guò)程當(dāng)中可能會(huì)出現(xiàn)一定的電能浪費(fèi)，對(duì)光伏電池的應(yīng)用和運(yùn)行效益造成一定影響。

3.1.2 電導(dǎo)增量

從太陽(yáng)能光伏電池輸出功率特性及其P/U曲線關(guān)系來(lái)看，其呈現(xiàn)出先升后降的特點(diǎn)，因此在整個(gè)電壓功率發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，僅具備單一的關(guān)聯(lián)峰值，因此該點(diǎn)即為太陽(yáng)能光伏電池最大功率點(diǎn)，考慮到電能物理特性等相關(guān)因素的影響，為了更好地獲取到最大功率點(diǎn)部位電壓情況，使太陽(yáng)能光伏電池能夠始終處于理想的運(yùn)行與工作狀態(tài)下，提升電池的應(yīng)用效益，減少其應(yīng)用成本，技術(shù)人員以及研究團(tuán)隊(duì)可基于電導(dǎo)增量的方式針對(duì)電壓功率之間的關(guān)聯(lián)特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，明確掌握電導(dǎo)變化量以及瞬時(shí)電導(dǎo)值大小情況，并以此針對(duì)最大功率點(diǎn)的電壓電流情況做出分析與判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏電池運(yùn)行工況的及時(shí)識(shí)別、跟蹤與分析。

在針對(duì)電導(dǎo)增量法進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中，研究人員應(yīng)當(dāng)選取合適的工作點(diǎn)，并明確工作點(diǎn)位當(dāng)中的電壓與電流情況，同時(shí)進(jìn)行微分計(jì)算，從而明確不同工況狀態(tài)下光伏電池的功率輸出特點(diǎn)，為電池工作方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供支持。作為一種穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性較好的跟蹤研究方法，采用電導(dǎo)增量法針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的電壓、功率等指標(biāo)參數(shù)特性展開(kāi)分析與研究，能夠更加直觀地明確光伏電池的運(yùn)行狀態(tài)以及輸出特性，并且能夠及時(shí)掌握外部環(huán)境變化如光照條件以及溫度情況對(duì)于電池功率輸出產(chǎn)生的相關(guān)影響，使光伏電池的協(xié)調(diào)控制更加規(guī)范合理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用電導(dǎo)增量法針對(duì)光伏電池的運(yùn)行工況進(jìn)行研究，能夠針對(duì)0.01 s以內(nèi)電池的電壓、功率狀態(tài)變化情況進(jìn)行判斷與分析，及時(shí)掌握溫度情況以及光照條件變化對(duì)于功率極值及其曲線所造成的影響，但受到步長(zhǎng)因素的影響，導(dǎo)致光伏電池的功率跟蹤結(jié)果可能會(huì)發(fā)生一定變化，對(duì)其精度可能會(huì)產(chǎn)生一定影響。

仿真分析過(guò)程當(dāng)中，需要遵循《村鎮(zhèn)光伏發(fā)電站集群控制系統(tǒng)仿真測(cè)試技術(shù)要求》（GB/T 40616-2021）等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上文給出了兩種針對(duì)太陽(yáng)能光伏電池進(jìn)行的最大功率點(diǎn)跟蹤研究方法，在研究結(jié)果精度以及跟蹤流程便捷性等方面呈現(xiàn)出一定的差異。因此為了更好地針對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤研究方式進(jìn)行選擇，保障最終研究結(jié)果與太陽(yáng)能光伏電池輸出情況的一致性，技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及研究人員還應(yīng)當(dāng)基于仿真實(shí)驗(yàn)的方式提供更加準(zhǔn)確的依據(jù)和數(shù)值，使技術(shù)方法的選擇以及光伏電池運(yùn)行方案的調(diào)控更加合理。

文章基于擾動(dòng)觀測(cè)的方式開(kāi)展仿真研究，將研究周期定為T，將步長(zhǎng)定為δd，分別結(jié)合太陽(yáng)能光伏電池的實(shí)際情況進(jìn)行了三次取值，同時(shí)針對(duì)不同點(diǎn)位電壓與功率之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示，在采用擾動(dòng)觀測(cè)的方法進(jìn)行光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤研究的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到步長(zhǎng)要素對(duì)于采樣周期以及跟蹤速度所產(chǎn)生的影響，從而進(jìn)一步提升跟蹤研究方案的合理性。

4 結(jié)論

綜上所述，在太陽(yáng)能光伏電池的研究與應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，明確電池的輸出特性，掌握其最大功率點(diǎn)的運(yùn)行情況對(duì)于降低電池使用成本，提升電池應(yīng)用效益具有重要意義。相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及研究者應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，基于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展試驗(yàn)研究與仿真分析，進(jìn)而及時(shí)掌握光伏電池的研究策略以及研究方案，為電池系統(tǒng)的應(yīng)用提供支持。