浅析光伏组件的电气特性与工程应用模型

2014-10-15耿新辉

机电信息 2014年18期

耿新辉

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京211106）

0 引言

“光伏发电”是将太阳光能直接转换为电能的一种发电形式。1839年，法国科学家贝克勒尔（A．E．Becqurel）首先发现了“光生伏打效应”（Photovoltaic Effect）。1954年，第一个实用单晶硅光伏电池（Solar Cell）在美国贝尔实验室研制成功［1］。20世纪70年代中后期开始，光伏电池技术不断完善，成本不断降低，带动了光伏产业的蓬勃发展。

典型的并网光伏发电站由光伏方阵、逆变器、发电单元升压变压器、站内集电线路、无功补偿装置和光伏发电站主变压器组成。光伏方阵通过光伏效应将太阳能转换成直流电能，再由逆变器将直流电能变换成交流电能，经过发电单元升压变压器升压后连接站内集电线路，最后通过主变压器升压后将电能送入电网传输。此外，并网光伏发电站组成设备还包括并网点以内的站内升压系统。对于有升压站的光伏发电站，并网点指升压站高压侧母线或节点。对于无升压站的光伏发电站，并网点指光伏发电站的输出汇总点。相应地，光伏发电系统的模型构成通常包括光伏组件模型、方阵模型、逆变器模型、集电升压系统模型和无功补偿系统模型等。

研究有效的模型结构和准确的模型参数是光伏发电并网分析的基础。通过建模和仿真分析，掌握光伏发电的电气特性，深入分析光伏发电与电网的交互影响机理，对应对光伏发电的间歇性波动带来的负面影响具有重要的意义。本文主要从光伏组件的理论模型着手，通过简化分析，讨论了一种基于标准测试参数的光伏组件的工程应用模型，为光伏发电特性的分析提供了满足工程精度要求的计算模型。

1 光伏组件的理论模型

基于光伏组件物理原理，分析辐照度、温度的影响，建立了带有旁路二极管及串并联电阻的电池理论模型，如图1所示［2］。

图1 光伏组件等效电路图

按照图1所规定的电流、电压参考方向，可以得出太阳能电池的非线性I—V特性方程：

式中，Iph为光生电流（A），随太阳辐射量和温度变化；I0为旁路二极管反向饱和电流（A），受温度影响；A为二极管曲线因子，取值在1～2之间；k为玻尔兹曼常数，1．381e－23J／K；T 为热力学温度；q为电子电量，1．602e－19C；Rs为等效串联电阻，包括体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面接触电阻；Rsh为等效并联电阻，用来反映硅片边缘的不清洁或体内的缺陷。

2 光伏组件的工程应用模型

强光条件下，有Iph＞＞（U＋IRs）／Rsh，又有短路时流经二极管的暗电流非常小，则可近似认为光伏组件的短路电流ISC≈Iph。通常，光伏组件的串联电阻Rs很小，而旁漏电阻Rsh很大，这就使得光伏组件的能量转换效率对Rs的变化非常敏感，而Rsh的变化对光伏组件的能量转换效率影响不大。对于理想的单体光伏组件，没有串联电阻以及旁漏电阻，即Rs＝0，Rsh＝∞。式（1）可简化为：

可见，光伏组件的数学模型可用其4个技术参数（开路电压UOC、短路电流ISC、最大功率点电压Um和最大功率点电流Im）表达［3－4］，其中，光伏组件的 UOC／ISC／Um／Im在标准测试环境（参考日照度Sref＝1 000W／m2和参考环境温度Tref＝25℃）下得到。若光伏组件工作在非标准测试环境下，根据参考日照度和参考温度下的4大参数，可推导出任意光照度和任意电池温度下的太阳能光伏组件的I—V特性：

其中，对于硅材料光伏组件，a、b、c的典型推荐值为0．002 5、0．000 5、0．002 88。

根据上述模型，结合光伏组件生产商提供的电池参数（开路电压UOC、短路电流ISC、最大功率点电压Um和最大功率点电流Im），绘制出某型光伏组件的I—V特性曲线，如图2所示。

3 研究结论

可以看出，这种光伏组件发电特性的工程计算方法能避免由于理论模型参数无法获取而带来的难题，同时基于标准环境下的实测参数的计算和推导，又在一定程度上保证了模型的精度。而对于光伏方阵，因为是由光伏组件以不同的串／并联方式组成，基于光伏组件等效电路原理建立光伏方阵的等效电路模型，同理可根据光伏组件工程应用模型建立光伏方阵工程应用模型（采用倍乘方法建立光伏方阵仿真模型，串联后的方阵输出电压为各光伏组件电池输出电压之和，并联后方阵输出的电流为各个光伏组件输出电流之和，并对参数作标幺化处理），考虑到安装方式、跟踪方式、阴影等因素，只需要对输入辐照度参数进行修正和等效。