新能源技术课程设计指导书1.实验目的与要求（1）检索资料，了解光伏发电技术的发展状况以及光伏发电原理；（2）掌握光伏电池模型的建立方法，分析、设计仿真模型，并利用MA TLAB 进行仿真实现；（3）掌握光伏电池的测试方法，选择适合的测量器件与量程，验证光伏阵列模拟方法的正确性；（4）分析离网型光伏发电系统的组成，选择合适的电力变换器拓扑结构并进行原理分析、参数计算；（5）查阅相关文献资料，确定系统MPPT 控制策略，建立MPPT 模块仿真模型，并仿真分析；（6）掌握系统联调的方法，调整控制参数。

2.仪器设备太阳能电池板1 块，万用表2 个，太阳能功率表TENMARS TM-207，滑动变阻器（100欧姆，200 瓦）1 个，计算机 1 台，系统仿真软件。

3.实验原理通过集中授课和查阅相关资料了解离网型光伏发电系统的组成和工作原理。

具体包括：（1）光伏电池的发电原理和数学模型；（2）DC—DC—AC变换器的拓扑结构、工作原理和参数计算；（3）研究离网型光伏发电系统最大功率跟踪控制的方法；（4）通过将光伏阵列外接一个可变电阻，调节可变电阻，记录不同情况下的电压和电流值，从而得到I/V 特性，将I 和V 相乘后，可得到P，进一步可获得P/V特性，通过光伏阵列倾角的调节，从而使照射到光伏阵列上的光强产生变化。

4.实验内容与要求4.1 实验内容（1）建立光伏阵列数学模型，依托实际光伏电池板参数对光伏电池输出特性进行相关模拟，研究光强和温度对光伏电池输出特性的影响，并设计实际光伏电池的检测电路进行实验验证；（2）设计离网型光伏发电系统，包括确定DC-DC-AC变换器拓扑结构、计算电力变换电路参数、确定MPPT控制策略；（3）在MA TLAB环境下建立含光伏阵列模块、电力变换电路模块、MPPT控制模块及输出负载的离网型光伏系统模型，系统调试，在光强和温度突变时系统能够快速、准确、稳定地实现最大功率跟踪控制。

4.2 实验要求（1）画出系统框图及原理图，实验接线图，软件流程图。

（2）不同实验步骤时接线不同则要按实验步骤分别给出接线图。

（3）给出接线图中所测量参数的测量点，指明所测参数的变化范围。

（4）指明测量每个参数所对应仪表及选用依据。

（5）指明在测量数据之前对实验线路、实验装置所必须的调试整定工作。

（6）设计出测量数据记录的表格，画出拟测实验波形的坐标系，对于可以算出理论数据值的必须先进行理论值的计算并填入表中。

（7）表格和波形的单位和坐标在实验进行过程中学生根据所测得的数据和波形进行填写，并作为老师实验操作步骤的给分依据之一。

（8）离网型光伏系统建模仿真实验必须从原理出发设计仿真图，每一个功能块必须细化到仿真的基本元件、部件，功能块中如果有编制的程序，程序必须给出流程图并设计编制好。

（9）按分块调试和系统联调顺序，依次调试分析仿真各模块功能，微调各参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。

5. 思考题（1）太阳能电池防止热斑现象的办法？（2）光伏发电系统中MPPT 扰动观察法有啥不足？6．实验报告按实验大纲要求完成实验报告。

1光伏电池的基本理论太阳能是一种辐射能，它必须借助一定的能量转换器才能变换成电能，这个把太阳能转换为电能的半导体能量转换器，就叫做光伏电池。

光伏电池是光伏发电系统的重要组成部分，其光电转换效率和成本对光伏发电的发展具有决定性的影响。

1.1 光伏电池的工作原理光伏电池是利用半导体材料的光生伏打效应制成的。

所谓光生伏打效应，简单的说，就是当物体受到太阳辐射时时，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。

半导体材料将光能转换为电能的效率特别高，因此光伏电池多为半导体材料制成。

半导体光伏电池的发电过程可概括为如下四个过程：（1）收集太阳光使之照射到光伏电池表面。

（2）光伏电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子——电子空穴对。

（3）这些电性符号相反的光生载流子在光伏电池P-N 结内建电厂的作用下，电子-空穴对被分离，在P-N 结两边产生异性电荷的积累，从而产生电动势，形成光生电压。

（4）在光伏电池P-N 结的两侧引出正负电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样光伏电池就把太阳能直接转换成了电能。

发展至今，光伏电池的种类已特别繁多，根据制作材料的不同可将光伏电池分为硅光伏电池、有机半导体光伏电池、化合物半导体光伏电池和薄膜光伏电池。

1.2 光伏电池的等效电路及数学模型为了在光伏发电系统研究设计过程中，实现光伏电池与光伏发电系统的匹配，则需要建立光伏电池的数学模型，通过数学关系，来反映光伏电池各项参数的变化规律，以更加深入了解光伏电池输出特性。

基于光伏电池的工作原理，整个光伏电池可简单的看作一个P-N 结，其输出特性呈现非线性，等效电路由光生电流及内部并联电阻和串联电阻组成，如图1-1 所示。

当光照强度一定时，可将光伏电池看作恒流源，即光生电流I ph 一定。

部分I ph 流经外部负载R 形成端电压V，V 正向偏置于P-N 结二级管，引起与光生电流方向相反的暗电流I d 。

由于电池板表面的接触电阻以及材料本身具有的电阻率等原因，流经负载的电流经过它们时，必然产生一定的损耗，因此在等效电路中加入串联电阻R s 来代表这些损耗。

对于电池边缘的漏电以及电池表面的划痕、微裂痕等处引起的金属桥漏电等问题，在等效电路中加入串联电阻R sh 来进行等效。

图1-1 光伏电池等效电路由光伏电池的等效电路可得：I I ph I d I sh（1-1）对于I d 有：I d I o exp AKT IR s1（1-2）式中，I o 为光伏电池的反向饱和漏电流；q为单个电子所含电荷量（1.6 1019C）；K 为波尔兹曼常数（1.38 1023 J K ）；A 为光伏电池的二极管理想因子（A=1～5），用来决定其与理想P-N 结半导体间的差异；T 为光伏电池的温度（以绝对温度表示）。

对于I sh 有：I sh V IRs（1-3）Rsh则光伏电池输出电流为：I I ph I0 exp q V AKT IR s1V R sh IR s（1-4）通常情况下，式1-4 中的V IR s R sh 项远远小于光伏电池输出电流，因此该项可以忽略。

由一片硅片构成的光伏电池称为单体；多个光伏电池单体组成的构件称为光伏模块；多个光伏模块构成的大型装置称为光伏阵列。

单体产生的电压和电流很小，在实际应用中，通常使用光伏阵列来得到期望的电压和电流，它体现出来的特性与光伏电池特性类似，则光伏阵列输出电流为：N I pph N I po exp q V IR s 1（1-5）IN AKT s式中，N p 和N s 分别为光伏阵列中光伏电池的并联和串联个数。

实际应用中考虑到光伏电池的光照强度和电池结温的变化，根据光伏电池的工作原理可得：I ph I sc ref, T T ref Sref（1-6）V oc V oc ref, T 298（1-7）式中，I sc ref, 为标准测试条件下（光照强度S ref 1000W m2 ，电池结温T ref 298K ，太阳辐射光谱AM=1.5）所测得的光伏阵列短路电流，即光伏阵列两端处于短路状态时测得的电流；为光伏阵列短路电流温度系数；V oc 为光伏阵列的开路电压，即光伏阵列电路将负荷断开时所测出的光伏阵列两端的电压；V oc ref, 即为标准测试条件下所测得的光伏阵列开路电压；为光伏阵列开路电压温度系数；S为光伏阵列的光照强度。

当光伏阵列处于开路状态时有I 0，V V oc ，代入式(1-5)可得：N I p phI o （1-8）exp N AKTqV s oc1当光伏电池工作在最大功率点时，根据式（1-5）可得：N AKT s ln N I p ph I m 1R s q N I p o V m（1-9）I m式中：I m 为峰值电流，即光伏阵列输出最大功率时对应的电流；V m 为峰值电压，即光伏阵列输出最大功率时对应的电压。

光伏阵列的数学模型中含有很多的未知量，实际应用中我们可以根据厂商提供的技术参数来对这些未知量进行确定。

厂商提供的技术参数主要包括光伏阵列的电性能参数、规格参数、温度系数。

1.3 光伏电池的基本特性光伏电池的基本特性包括光伏电池的输出特性、照度特性和温度特性，光伏电池的输出特性即I-V 特性是指光伏电池在某一确定的日照强度和环境温度下，输出电压与输出电流之间的关系，通常用I-V 和P-V 特性曲线来描述。

图1-2 为某光伏电池的输出特性曲线，由光伏电池的输出特性曲线可知，光伏电池的输出特性呈现非线性。

V（伏特）Vm V oc V(伏特) Vm V oc（a）I-V 特性曲线（b）P-V 特性曲线图1-2 光伏电池输出特性曲线根据光伏电池数学模型可知，光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响，不同环境温度下某光伏电池输出特性曲线如图1-3 所示，不同光照强度下某光伏电池输出特性曲线如图1-4 所示。

S=1000瓦/平方米70 S=1000瓦/平方米50 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25V（伏特）V（伏特）（a）I-V 特性曲线（b）P-V 特性曲线图1-3 不同环境温度下光伏电池输出特性曲线0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25V（伏特）V（伏特）（a）I-V 特性曲线（b）P-V 特性曲线图1-4 不同光照强度下光伏电池输出特性曲线由图1-3 可知，其它条件一定时，光伏电池周围环境温度的升高将使光伏电池的开路电压V oc 下降，短路电流I sc 轻微增加，从而导致光伏电池的输出功率下降。

光伏电池的温度特性一般用光伏电池的温度系数表示，温度系数小，说明光伏电池的输出随温度变化的越缓慢。

由图2-4 可知，其它条件一定时，光伏电池表面光照强度的增加将使光伏电池的短路电流I sc 增加，开路电压V oc 也略微增加，从而导致光伏电池输出功率增加。

2.1 光伏并网控制系统电路结构电路结构是整个系统的关键部分，它关系着系统的效率和成本。

光伏并网控制系统电路结构要求效率高、成本低，输入要能够承受光伏阵列输出直流电的电压低且波动大的不良影响，输出也要满足一定的电能质量，应根据实际的需要选择适当的主电路结构进行系统设计。

光伏并网发电系统实际上是一个有源逆变系统，按照不同的分类方向，有多种不同的电路结构。

I（安培）I（安培）I（安培）P（瓦特）光伏并网发电系统电路结构按输入直流电源的性质可以分为电流型和电压型两大类。

常见的电压型和电流型光伏并网发电系统拓扑结构分别如图 2-1(a)和 (b)所示。

电流型光伏并网发电系统，其直流侧需要串连一个大电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。