光伏发电系统仿真建模与光伏遮挡发电效率分析

刘娇娇

(上海电气分布式能源科技有限公司，上海 闵行 201100)

随着光伏发电技术的发展，光伏发电正面向全球化、商业化的大规模应用，特别是2022年随着政府补贴力度的加大，光伏产业可能会迎来大发展阶段，在农村，利用屋顶、阳台等区域搭建的小型的分布式光伏发电系统逐渐增多。然而由于气象环境对光伏电池电力输出的影响较大，在设计光伏发电系统过程中，对光伏系统进行仿真分析，光伏发电系统模型的准确度对于系统的可行性、可靠性、经济性十分必要。

1 光伏模型参数

1.1 参数分析

光伏电池单二极管等效电路模型的输出伏安特性为：

式中：V为光伏电池输出电压；I为光伏电池输出电流；IRs为光生电流源电流；Is为二极管饱和电流；q为电子电量常量1.602×10-19C；K为玻尔兹曼常数，1.831×10-23J/K；T为光伏电池工作绝对温度值；A为二极管特性拟合系数；Rs为光伏电池串联电阻；Rsh为光伏电池的并联电阻[2]。

光生电流Iph是光照强度和电池温度的函数，可以表示成：

式中：S为实际辐照度（W/m2）；Sref为标准条件下辐照度；Tref为标准条件下光伏电池工作绝对温度；CT为温度系数，A/K；Iphref为标准条件下光生电流值[3]。

二极管饱和电流随着电池温度的变化而变化，满足关系式：

式中：Isref为标况下二极管饱和电流；Eg为禁带宽度，与光伏电池材料有关[4]，计算公式分别为：

式中：ISCref为光伏的参考短路电流；VOCref为光伏的参考开路电压；VT=mKT/q。

由于单个光伏电池的输出功率较小，为此将光伏电池串、并联可构成光伏模块[4]，其输出电压可提高到十几至几十V；光伏模块又可经串、并联后得到光伏阵列，以获得更大的输出功率。当光伏模块通过串、并联组成光伏阵列时，通常认为串并联在一起的光伏模块具有相同的特征参数[4]，与单二极管等效电路图对应的光伏阵列等效电路如图1所示。

图1 单二极管模型光伏阵列的等效电路

图1给出的等效电路的输出电压和电流的关系如式6所示，其中Ns和Np分别为串联和并联的光伏电池的个数。

由上面的公式可知，光伏阵列的输出电压和输出电流具有非线性关系，并且随光照和温度的变化而变化[4]。后文所搭建的光伏电池模型，均基于上述公式，单晶与多晶光伏的不同主要体现在串并联数上。

2 仿真模型

在实际建模过程中，在光伏等效电路公式（1）～（6）的基础上，可以通过两点近似作相应的模型简化：

设定，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻[5]。

忽略并联内阻Rsh，这是因为在实际的光伏等效电路中该电阻相对于其他等效的其他电阻阻值要大很多，因此近似该支路是断路的，实际的建模过程中这个电阻可以被忽略掉，对最终的光伏模型是没有影响的。

由于本文中单晶硅光伏采用通用二极管等效电路模型，下文是单晶硅光伏电池的仿真模型。单晶硅光伏采用19组串联，7组并联的结构，模型采用单二极管模型光伏阵列的等效电路，根据公式（1）～（6）作以上两点简化之后可知，可将光伏等效电路等效为两个方向相反的可控电流源并联组成电源系统：

基于Simulink搭建的光伏电池模型如图2所示。

图2 光伏电池模型

针对上海电气中央研究院微电网示范工程中的单晶硅光伏和多晶硅光伏，本文均采用单二极管等效电路模型进行建模，根据公式（1）～（6）可知，光伏等效电路数学模型中有许多须要整定的参数，以下是根据所给的光伏组件参数以及研究院实际测试情况所整定出的搭建单晶硅、多晶硅光伏模型时所须的各种光伏的建模参数如表1所示。

表1 光伏模块参数

3 仿真与实际数据对比分析

根据中央院屋顶实际的环境情况，做出了实际光伏运行曲线，并将仿真结果与实际运行数据进行比较。报告选取了2021年8月5号的运行记录，选取时间为9:00—16:00，共7 h。每隔10 min记录一组当前光照、温度、光伏输出电压、光伏输出电流的数据，从而绘制出输出电流随照度和温度变化曲线，输出电压随温度和照度变化的曲线等，用以对比分析。

图3中，黑色粗线为模型仿真后的光伏电压和电流数据，蓝色细实线为光伏电池实际输出的电压和电流数据。从图中可以看出，10:30—16:00，仿真模型和光伏电池实际输出的电压和电流数据趋势基本一致，重合率达到95%以上。9:30—10:30仿真模型和实际输出数据差距稍大，分析原因主要是在这个时间段，部分光伏电池收到了遮挡，由于环境测量仪处采集的数据是局部的辐照数据，因此在部分光伏电池收到遮挡时，仿真和实际数据有一定差距，下面章节分析光伏遮挡影响实验分析。

图3 仿真与实际电压和电流对比图

4 光伏遮挡影响实验分析

光伏板遮挡对光伏阵列输出功率影响很大。在2022年3月25日13:30，光照强度较高，对上海电气中央研究院微电网示范工程中的楼屋顶光伏板进行了遮挡实验。

4.1 光伏遮挡情况分析

实验过程如下：首先记录没有任何遮挡时的光伏板输出功率；遮挡住一块单晶光伏板，记录单晶光伏阵列发电功率；遮挡住同一个阵列的两块单晶光伏板，记录单晶光伏阵列发电功率；依次遮挡住3块、4块、5块光伏板，记录单晶光伏阵列发电功率；遮住两个不同单晶光伏阵列各一块光伏板，记录单晶光伏阵列发电功率；对光伏板进行清洗，记录清洗后的光伏输出功率。

实验结果如图4、图5所示。

图4 分别遮挡1～5块光伏板时单晶光伏输出功率

图5 两个光伏阵列各遮挡1块光伏板功率变化

以上光伏实验分析时有几点说明：由于实验过程中，太阳照射角度在不停变化，因而随着时间的推移，发电功率是逐渐降低的。通常在10 min内光伏发电功率不变，采用变化功率与原发电功率比例进行分析。

根据图4分析，没有遮挡时发电功率为19 kW，遮挡一块后，光伏输出功率变为18.5 kW；遮挡两块后，输出功率变为17.8 kW；由于遮挡3、4块过程中，功率跳动较大；当遮挡5块光伏板后，单晶光伏阵列输出功率为17 kW。由于遮挡的均为同一个光伏阵列，因而可以认为其他光伏阵列的输出功率不变，遮挡工况会单独影响这一列光伏输出功率。中央研究院光伏发电共有7个串联阵列，每个光伏阵列有19块光伏板，因而可以近似认为每一个串联阵列的输出功率为2.714 kW。遮挡一块时，输出功率减少0.5 kW，整个光伏串联阵列输出功率降至81.56%；遮挡两块时，输出功率减少1.2 kW，输出功率降低至55.78%；遮挡5块光伏板时，输出功率减少2 kW，输出功率降低至26.31%。因而可以看出，光伏板遮挡住10%（一共19块串联，遮住两块），输出功率仅为当前无遮挡时的55%，几乎降低了一半，当遮挡住25%时，输出功率也仅为无遮挡时的26%，因而光伏遮挡对串联光伏阵列的影响很大。

根据图5分析，当两个阵列各遮挡住一块光伏板后，输出功率降低了1 kW，可以近似认为每一个光伏阵列输出减少了0.5 kW，总损失功率为二者相加，与图9的分析结果相吻合。因此，遮挡情况按被遮挡光伏板所在的串联光伏阵列分析，然后将各串联阵列遮挡情况相加，得到所有光伏发电的遮挡影响。

5 仿真模型修正

5.1 仿真参数影响分析

影响光伏输出的主要模型参数有3个：光伏组件的短路电流、开路电压和光伏组件的等效串联电阻。这3个参数也是将单晶硅与多晶硅光伏模型区分开来的重要参数。

经过反复的仿真尝试与参数修改，得到了开路电压、短路电流、串联电阻这3个参数对光伏输出功率、最大功率点对应的输出电压、最大功率点对应的输出电流有影响。

当光伏组件开路电压增大时，光伏输出功率增大，最大功率对应的电压增大，对应的电流不变；当短路电流增大时，光伏输出功率增大，对应的最大功率点电压降低，对应的电流增加；等效串联电阻增加时，光伏输出功率不变，最大功率对应的电压降低，对应的电流功率不变。从这个过程可以得到以下结论：最大功率点对应的电流值由光伏组件的短路电流决定；最大功率点对应的电压值主要由光伏组件的开路电压决定，同时受到短路电流和阻抗的影响；输出功率受3个因素共同作用。

5.2 仿真模型参数修改

根据以上结论，可以对仿真中的光伏参数进行修改，使其与实际发电情况更为接近。经过反复试验，现在将单晶硅光伏仿真模型参数修改如表2所示。

表2 单晶光伏参数修改

修改参数，减小短路电流，使得最大功率降低；同时降低开路电压，进一步降低最大功率。在降低输出功率的同时，又须要保持输出曲线的变化趋势，因此输出阻抗最好不变。参数修改后的输出曲线与实际测得的数据比较接近，输出曲线如图6、图7、图8所示。

图6 修改后的单晶光伏输出功率

图7 修改后的单晶光伏最大功率点对应电压

图8 修改后的单晶光伏最大功率点对应电流

光伏仿真与实际工况须要对比最重要的量是输出功率。从图11可以看出，修改后的单晶硅光伏模型更接近仿真上海电气中央研究院示范工程中实际的光伏实际输出数据。

6 光伏封装参数

6.1 光伏建模的关键参数

经过本文的分析，决定光伏模块封装的变量有5个。Isc：光伏组件的短路电流；Voc：光伏组件开路电压；Rs：光伏组件的等效串联电阻；Ns：光伏组件串联数；Np：光伏组件并联数。

根据上海电气中央研究院微电网示范工程中的光伏参数，给出单晶硅参数值如表3所示。

表3 单晶光伏参数表

7 结束语

安装的单晶光伏系统输出功率不高，是多方面因素造成的。环境条件和光伏板遮挡是主要原因。上海地区的光照条件不如我国西北、东北等地区。从8月5日的实测数据来看，光照强度最大值也没有达到1000 W/m2。这个数据说明大部分时间里，光伏都没有运行在标准光照条件下，光照条件不是很好。环境测量仪测量的温度一直高于标准温度25℃，温度的升高会使输出功率降低。中央研究院示范工程光伏存在遮挡的情况，光伏发电有这样的特性，由于光伏阵列是由光伏模块串并联组成的，因此一个光伏阵列有几块光伏板被遮挡住，就相当于整个光伏阵列串联了一个很大的电阻，会严重影响输出功率。也就是说，光伏阵列的部分遮挡也会严重影响整体的输出功率。

搭建的光伏模型可以通过修改短路电流、开路电压及等效串联电阻来改变输出功率，及输出功率点对应的电流和电压值。

建立的仿真模型可以较好的反映光伏输出特性，响应快速，与实际光伏输出特性一致，可以用于分布式微电网系统的仿真分析。