淺析光伏組件的電氣特性與工程應(yīng)用模型

耿新輝

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106）

0 引言

“光伏發(fā)電”是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。1839年，法國科學(xué)家貝克勒爾（A．E．Becqurel）首先發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應(yīng)”（Photovoltaic Effect）。1954年，第一個實用單晶硅光伏電池（Solar Cell）在美國貝爾實驗室研制成功［1］。20世紀70年代中后期開始，光伏電池技術(shù)不斷完善，成本不斷降低，帶動了光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電站由光伏方陣、逆變器、發(fā)電單元升壓變壓器、站內(nèi)集電線路、無功補償裝置和光伏發(fā)電站主變壓器組成。光伏方陣通過光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，再由逆變器將直流電能變換成交流電能，經(jīng)過發(fā)電單元升壓變壓器升壓后連接站內(nèi)集電線路，最后通過主變壓器升壓后將電能送入電網(wǎng)傳輸。此外，并網(wǎng)光伏發(fā)電站組成設(shè)備還包括并網(wǎng)點以內(nèi)的站內(nèi)升壓系統(tǒng)。對于有升壓站的光伏發(fā)電站，并網(wǎng)點指升壓站高壓側(cè)母線或節(jié)點。對于無升壓站的光伏發(fā)電站，并網(wǎng)點指光伏發(fā)電站的輸出匯總點。相應(yīng)地，光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型構(gòu)成通常包括光伏組件模型、方陣模型、逆變器模型、集電升壓系統(tǒng)模型和無功補償系統(tǒng)模型等。

研究有效的模型結(jié)構(gòu)和準確的模型參數(shù)是光伏發(fā)電并網(wǎng)分析的基礎(chǔ)。通過建模和仿真分析，掌握光伏發(fā)電的電氣特性，深入分析光伏發(fā)電與電網(wǎng)的交互影響機理，對應(yīng)對光伏發(fā)電的間歇性波動帶來的負面影響具有重要的意義。本文主要從光伏組件的理論模型著手，通過簡化分析，討論了一種基于標準測試參數(shù)的光伏組件的工程應(yīng)用模型，為光伏發(fā)電特性的分析提供了滿足工程精度要求的計算模型。

1 光伏組件的理論模型

基于光伏組件物理原理，分析輻照度、溫度的影響，建立了帶有旁路二極管及串并聯(lián)電阻的電池理論模型，如圖1所示［2］。

圖1 光伏組件等效電路圖

按照圖1所規(guī)定的電流、電壓參考方向，可以得出太陽能電池的非線性I—V特性方程：

式中，Iph為光生電流（A），隨太陽輻射量和溫度變化；I0為旁路二極管反向飽和電流（A），受溫度影響；A為二極管曲線因子，取值在1～2之間；k為玻爾茲曼常數(shù)，1．381e－23J／K；T 為熱力學(xué)溫度；q為電子電量，1．602e－19C；Rs為等效串聯(lián)電阻，包括體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面接觸電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻，用來反映硅片邊緣的不清潔或體內(nèi)的缺陷。

2 光伏組件的工程應(yīng)用模型

強光條件下，有Iph＞＞（U＋IRs）／Rsh，又有短路時流經(jīng)二極管的暗電流非常小，則可近似認為光伏組件的短路電流ISC≈Iph。通常，光伏組件的串聯(lián)電阻Rs很小，而旁漏電阻Rsh很大，這就使得光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率對Rs的變化非常敏感，而Rsh的變化對光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率影響不大。對于理想的單體光伏組件，沒有串聯(lián)電阻以及旁漏電阻，即Rs＝0，Rsh＝∞。式（1）可簡化為：

可見，光伏組件的數(shù)學(xué)模型可用其4個技術(shù)參數(shù)（開路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點電壓Um和最大功率點電流Im）表達［3－4］，其中，光伏組件的 UOC／ISC／Um／Im在標準 測試環(huán)境（參考日照度Sref＝1 000W／m2和參考環(huán)境溫度Tref＝25℃）下得到。若光伏組件工作在非標準測試環(huán)境下，根據(jù)參考日照度和參考溫度下的4大參數(shù)，可推導(dǎo)出任意光照度和任意電池溫度下的太陽能光伏組件的I—V特性：

其中，對于硅材料光伏組件，a、b、c的典型推薦值為0．002 5、0．000 5、0．002 88。

根據(jù)上述模型，結(jié)合光伏組件生產(chǎn)商提供的電池參數(shù)（開路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點電壓Um和最大功率點電流Im），繪制出某型光伏組件的I—V特性曲線，如圖2所示。

3 研究結(jié)論

可以看出，這種光伏組件發(fā)電特性的工程計算方法能避免由于理論模型參數(shù)無法獲取而帶來的難題，同時基于標準環(huán)境下的實測參數(shù)的計算和推導(dǎo)，又在一定程度上保證了模型的精度。而對于光伏方陣，因為是由光伏組件以不同的串／并聯(lián)方式組成，基于光伏組件等效電路原理建立光伏方陣的等效電路模型，同理可根據(jù)光伏組件工程應(yīng)用模型建立光伏方陣工程應(yīng)用模型（采用倍乘方法建立光伏方陣仿真模型，串聯(lián)后的方陣輸出電壓為各光伏組件電池輸出電壓之和，并聯(lián)后方陣輸出的電流為各個光伏組件輸出電流之和，并對參數(shù)作標幺化處理），考慮到安裝方式、跟蹤方式、陰影等因素，只需要對輸入輻照度參數(shù)進行修正和等效。

圖2 某型號1系列單晶硅太陽能電池I—V特性曲線

［1］趙爭鳴．太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］．北京：科學(xué)出版社，2005

［2］沈輝，曾祖勤．太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

［3］蘇建徽，余世杰，趙為，等．硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型［J］．太陽能學(xué)報，2001（4）

［4］廖志凌．任意光強和溫度下的硅太陽電池非線性工程簡化數(shù)學(xué)模型［J］．太陽能學(xué)報，2009（4）