我说的不一定准，我想了想模电学的，方波发生器应该是一个振荡电路
再通过比较器过零比较，得到方波，我查了一下网上的图，就是把你的图的左面接起来，是不是这个表明
只要有个初始的振荡（自然环境使然？），就可以发出振荡，从而得到方波。

你的参考电压加在运放的正输入端，提供给光电二极管的是正电压。比较一下2脚和1脚的波形，特别是幅度。

你介绍的情况象一个比较器在工作。
工作状况如下：
在上电时，3脚电位高于2脚，1脚输出高电平，根据“虚短”概念（请参考EEPW 论坛Jacwang《运算放大器基本电路11 个经典电路》http://forum.eepw.com.cn/thread/196953/1=）2脚的电位等于3脚电位，再迭加上光电二极管电压，2脚的电位高于3脚电位，输出翻转，1脚输出低电平，拉低了2脚电平，输出再次翻转。1脚输出方波。光电二极管电压随着光照的增强而增高，输出的翻转速度也增快。

这个电路很明显的接成了振荡器结构。电路中的光电二极管基本没有作用，分析时可以不用考虑。首先假设将光电二极管去掉，上电时，同相输入端（3端）电压高于反相输入端（2端），放大器输出（1端）为高，并且这个高电平幅度等于电源电压。注意了，此时输出为高，那么光电二极管反向截止，不用考虑。输出电压全部作为反馈电压加到反向输入端（因为二极管截止），Vref肯定低于电源电压，所以此时输出又跳变为低电平，而且应该是到地了。其实就是一个振荡器的工作过程。
这是没有考虑光电二极管的工作过程，对于你说的频率会随着光照变化的问题，就要考虑光电二极管了。我猜测是不是光电二极管的存在加速了电平的跳变？所以使得频率升高？具体原因需要你对上升沿和下降沿的准确测量后才能分析出来。
希望能对你有启发。