2. 光伏发电基础

单相光伏并网逆变器的输入来自光伏阵列，而阵列的输出并不是一个恒定的直流源。它会随着光照强度、电池温度、组件老化程度以及负载工作点不断变化。理解光伏电池的外特性，是后续进行MPPT控制、直流母线设计、逆变器功率调度和并网电流控制的基础。本节从光伏电池的等效特性出发，逐步建立I-V曲线、最大功率点、环境因素影响以及阵列配置之间的工程联系。

一、光伏电池的外特性与I-V曲线

光伏电池本质上是一个大面积PN结。当光子能量大于半导体禁带宽度时，会在PN结附近激发电子-空穴对，在内建电场作用下形成光生电流。工程上通常用单二极管模型描述其输出特性：光生电流源与二极管并联，再串联等效串联电阻，并考虑并联漏电阻。其简化关系可表示为：

I = Iph - I0 * [exp(q*(V + I*Rs)/(n*k*T)) - 1] - (V + I*Rs)/Rsh

其中：
Iph  光生电流，近似与光照强度成正比
I0   二极管反向饱和电流，对温度非常敏感
Rs   串联电阻，影响填充因子和效率
Rsh  并联电阻，反映漏电流大小
n    二极管理想因子
k    玻尔兹曼常数
T    电池绝对温度

在固定光照和温度下，把电池从短路状态逐步加载到开路状态，可以测得一条完整的I-V曲线。曲线上有三个关键点：短路电流点Isc、开路电压点Voc、最大功率点MPP。短路电流主要由光照强度决定，开路电压则受温度影响明显。I-V曲线在低压侧近似恒流源，在高压侧迅速下降，拐点附近对应最大功率输出区域。

二、最大功率点与MPPT的必要性

由P-V曲线可见，光伏电池的输出功率随电压先上升后下降，在某一电压处达到最大值，该点称为最大功率点。若逆变器始终把阵列电压钳在固定值，例如直接接在某一母线电压上，则当光照或温度变化时，工作点会偏离MPP，造成发电量损失。因此并网逆变器必须持续调节直流侧工作电压，使阵列始终运行在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点跟踪，即MPPT。

常见MPPT方法包括扰动观察法、电导增量法、恒定电压法和智能算法。扰动观察法通过周期性扰动电压并观察功率变化方向来逼近MPP，实现简单，但在稳态下会在MPP附近小幅振荡。电导增量法利用dP/dV=0的判据，跟踪精度更高，但对采样噪声更敏感。工程中常采用变步长策略，在远离MPP时加大步长，接近MPP时减小步长，以兼顾速度与稳态精度。

三、光照与温度的影响

光照强度和电池温度是影响光伏输出最直接的两个环境变量。光照增强时，光生电流增大，短路电流近似线性上升，最大功率点电流也明显增大；而开路电压随光照增强略有上升，但幅度较小。温度升高时，二极管反向饱和电流增大，开路电压下降，短路电流略有上升，整体最大功率点功率下降。晶硅组件典型温度系数为：开路电压约-0.3%/℃，短路电流约+0.05%/℃，峰值功率约-0.4%/℃。

四、光伏阵列配置与工程要点

单块光伏电池输出电压约0.5～0.7V，功率仅数瓦，必须通过串并联组成组件和阵列。串联提高电压，使直流母线达到逆变器所需工作范围；并联提高电流，增加总功率。阵列配置需要同时满足电压、电流、功率和MPPT窗口要求。

• 串联数Ns：根据逆变器MPPT电压范围和最低工作温度下的Voc计算，确保低温开路电压不超过直流侧耐压，同时高温工作电压不低于MPPT下限。
• 并联数Np：根据逆变器最大输入电流和组串电流确定，避免超过输入端子额定值。
• 组串一致性：同一MPPT通道下的组串应选用同型号、同朝向、同倾角组件，减少失配损失。
• 遮挡与旁路二极管：组件内旁路二极管可缓解热斑，但局部遮挡仍会造成多峰P-V曲线，需要全局MPPT或组串级优化。
• 线缆与熔断器：直流侧电流持续较大，线径和熔断器需按1.25倍以上安全系数选取。

组串电压校验示例：
组件 Voc = 49.5 V，温度系数 -0.30%/℃
最低环境温度 -10℃，电池温度按 -10℃ 估算
ΔT = -10 - 25 = -35℃
Voc(-10℃) = 49.5 × [1 + (-0.0030) × (-35)] ≈ 54.7 V
22 块串联：Voc_max ≈ 1203 V
若逆变器最大直流输入为 1100 V，则 22 串不满足，应降为 20 串。

在实际工程中，阵列配置还要与逆变器MPPT路数、每路输入电流、直流母线电容耐压以及并网功率等级协同设计。只有把光伏电池的I-V特性、最大功率点跟踪、环境参数变化和阵列串并联关系统一考虑，才能保证单相光伏并网逆变器在全年不同工况下稳定、高效地把直流电能转换为符合电网要求的交流电能。