CN103944510A

CN103944510A - 一种光伏组件输出特性的判断方法

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Publication number: CN103944510A
Application number: CN201410189329.7A
Authority: CN
Inventors: 白建波; 曹阳; 刘升; 张臻
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开了一种光伏组件输出特性的判断方法，主要为以单电池为基本单位，首先根据流经光伏组件的电流对被遮挡电池及其所在电池串的输出特性进行分析，进而在对旁路二极管的伏安特性进行理论分析的基础上判定旁路二极管导通状态，从而计算出光伏组件在阴影遮挡情况下的多峰特性。本发明的方法能够较精确的判断出旁路二极管的导通点，从而较精确的反映出组件I-V曲线的峰值点，为失配情况下组件性能的简单精确模拟奠定了基础。

Description

一种光伏组件输出特性的判断方法

技术领域

本发明涉及一种光伏组件输出特性的判断方法，属于太阳能光伏技术领域。

背景技术

太阳能电池的输出特性较复杂，具有非线性的特征，主要受辐照度、温度及负载情况的影响。由于单片电池的输出电流电压均较小，因此在实际应用中将单电池以串联的方式组成光伏组件，光伏组件再以串并联的方式组成光伏阵列以达到所需求的电流电压值。在实际系统运行中，由于阴影遮挡等造成的失配现象会使光伏电池反偏作为负载消耗功率，不仅降低了光伏阵列总体输出功率，亦可能引起热斑效应，对组件造成不可恢复的损毁。为了减小因失配现象造成的功率损失以及因此造成的温升对组件可靠性的影响，可并联旁路二极管起到分流保护作用。然而，当含旁路二极管的组件存在失配现象时，其I-V特性曲线会由原来的单峰曲线变为双峰甚至多峰曲线，为光伏组件输出性能的计算模拟带来了一定的困难。

目前，对于失配情况下组件输出性能的模拟是光伏领域研究的热点之一，其研究主要分为两类：其一是失配情况下无旁路二极管的光伏组件串联电路性能的研究，鉴于目前组件都已具备保护功能的旁路二极管，此种形式的研究已不具备代表意义；其二为失配情况下含旁路二极管光伏组件串联电路的研究，目前主要有基于机理分析和实验研究两种方法。其中翟载腾等提出了基于流经组件的电流采用分段函数描述被部分遮挡的光伏阵列输出特性的方法，它是以组件为基本单位，每个组件并联一个保护功能旁路二极管，能较精确的模拟出部分组件被遮挡的情况下串联阵列的输出性能，但由于实际遮挡情况较复杂，因此需进一步研究；徐青山等对含多个旁路二极管的组件进行研究，将流经组件的电流分为两路，即流经电池串及流经旁路二极管的电流，并采用牛顿—拉夫逊法进行迭代求解，而Y.-J.WANG等以旁路二极管保护串为基本单位，根据组件串电压采用分段函数的方法计算求解，这两种方法均能够较精确的得出实际复杂情况下阵列的输出特性，但前者计算量较大，而后者采用隐式函数的方法，对整体计算带来了些许不便。

发明内容

为了能够较为简便精确地模拟实际复杂遮挡情况下阵列的输出性能，本发明以单电池为基本单位，提出一种光伏组件输出特性的判断方法。首先根据流经组件的电流对被遮挡电池及其所在电池串的输出特性进行分析，进而在对旁路二极管的伏安特性进行理论分析的基础上判定旁路二极管导通状态，从而计算出光伏组件在阴影遮挡情况下的多峰特性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光伏组件输出特性的判断方法，包括以下步骤：

1)建立光伏组件输出特性的数学模型；

2)建立光伏组件的多旁路二极管模型；

3)分别求出每个电池串中每个电池片的输出电压；

4)得到整个电池串的输出电压；

5)得到整个光伏组件的输出电压。

前述的步骤1)建立光伏组件输出特性的数学模型的具体过程为：

根据基尔霍夫电流定律，由光伏组件的单二极管模型的等效电路得到光伏组件的单二极管模型的电流方程为：

I = I_{ph} - I_{D} - I_{sh} = I_{ph} - I_{O} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - \frac{V + {IR}_{s}}{R_{sh}} - - - (1)

其中，

a = \frac{nkT}{q}

I为流经光伏组件的电流，I_ph为光生电流，I_D为二极管电流，I_sh为并联电阻的电流，I_O为二极管反向饱和电流；R_s为串联电阻，R_sh为并联电阻，a为曲面拟合参数，n为二极管理想因子，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，T为电池温度；

考虑到并联电阻R_sh大于100Ω时，可忽略不计，则式(1)简化为：

I = I_{ph} - I_{D} = I_{ph} - I_{o} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - - - (3)

光伏组件的单二极管模型的输出电压V为：

V = a \ln (\frac{I_{ph} - I}{I_{o}} + 1) - {IR}_{s} - - - (4)

式(3)和式(4)即为光伏组件输出特性的数学模型。

前述的步骤2)中光伏组件的多旁路二极管模型为：设光伏组件含有N个旁路二极管，将光伏组件分为等量的被旁路二极管保护的电池串，设旁路二极管1所保护的电池串1的电池片为：1-1，1-2，……，1-m，旁路二极管2所保护的电池串2的电池片为：2-1，2-2，……，2-m，……，旁路二极管N所保护的电池串N的电池片为：N-1，N-2，……，N-m。

前述的步骤3)中每个电池片的输出电压的计算方法为：

对于每1个电池片只有2种情况：遮挡和未被遮挡，

3-1)被遮挡电池片的输出电压的计算：

假设电池串1中电池片1-1被遮挡，则光生电流存在关系：I_ph,1-1＜I_ph,1-2＝I_ph,1-3＝…＝I_ph,1-m

根据光伏组件外接负载的不同，流经组件的电流不同，旁路二极管1有导通与截止两种状态：

(a)若0<I≤I_ph,1-1，电池片1-1对外正常输出功率，旁路二极管1处于截止状态，此时，电池片1-1的输出电压V_1-1为：

V_{1 - 1} = a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - {IR}_{s 1 - 1} - - - (8)

式中，V_1-1为第1-1个电池片的输出电压，a_1-1为第1-1个电池片的曲面拟合参数，I_ph,1-1为第1-1个电池片的光生电流，I_o1-1为第1-1个电池片的旁路二极管的反向饱和电流，R_s1-1为第1-1个电池片的串联电阻；

(b)若I_ph,1-1<I≤I_ph,1-2，旁路二极管1处于导通状态，在这种情况下，流经被遮挡电池的电流大于其光生电流，电池片1-1有与原电流相反的电流流经p-n二极管及并联电阻，由二极管反向特性可知，在反偏电压范围内，流经二极管的电流仅为10^-1mA级，可忽略不计，则电池片1-1的输出电压V_1-1为：

V_1-1＝-(I-I_ph,1-1)R_sh1-1-IR_s1-1 (10)

其中，R_sh1-1为电池片1-1的并联电阻；

当旁路二极管完全导通后，旁路二极管所保护的电池串的串电压等于其旁路二级管的正向导通电压，即

V₁＝-V_bd (11)

V_bd为旁路二极管导通时的正向压降；

所有电池串中任何一个被遮挡的电池片，其输出电压的计算方法与所述电池片1-1的计算方法相同；

3-2)未被遮挡电池片的输出电压的计算：

未被遮挡的电池片的输出电压的计算遵循单二极管模型，则对于电池串1中未被遮挡的电池片的输出电压的表达式为：

V_{1 - i} = a_{1 - i} \ln (\frac{I_{ph, 1 - i} - I}{I_{o 1 - i}} + 1) - {IR}_{s 1 - i} - - - (12)

其中，1-i为电池串1中未被遮挡的电池片，V_1-i为电池片的输出电压，a_1-i为电池片的曲面拟合参数，I_ph,1-i为电池片的光生电流，I_o1-i为电池片的旁路二极管的反向饱和电流，R_s1-i为电池片的串联电阻；

所有电池串中任何一个未被遮挡的电池片，其输出电压的计算方法都遵循单二极管模型。

前述的步骤4)中，整个电池串的输出电压为每个电池片的输出电压之和，即被遮挡的电池片和未被遮挡的电池片的输出电压之和，分为两种情况：

4-1)假设电池串1中电池片1-1被遮挡，则电池串1的输出电压V₁为：

V_{1} = V_{1 - 1} + Σ_{i = 2}^{m} V_{1 - i} = \{\begin{matrix} a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - I R_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (0 \leq I \leq I_{ph, 1 - 1}) \\ - (I - I_{ph, 1 - 1}) R_{sh 1 - 1} - {IR}_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} > - V_{bd}) \\ - V_{bd} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} \leq - V_{bd}) \end{matrix} - - - (13)

在电池串1中所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)都对应同一个旁路二极管，故所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)的值都是相等的；

电池片1-2，1-3，……，1-m均未被遮挡，故其曲面拟合参数a_1-i(i＝2,……,m)，光生电流I_ph,1-i(i＝2,……,m)，串联电阻R_s1-i(i＝2,……,m)都相等；

4-2)如果电池串中不含被遮挡的电池片，则电池串的输出电压V_k为：

V_{k} = a_{k} \ln (\frac{I_{ph, k} - I}{I_{ok}} + 1) - {IR}_{sk} - - - (14)

其中，k为不含被遮挡的电池片的电池串，a_k为电池串的曲面拟合参数，I_ph,k为电池串的光生电流，I_ok为电池串的旁路二极管的反向饱和电流，R_sk为电池串的串联电阻。

前述的步骤5)中，整个光伏串联阵列的输出电压为所述步骤4)计算的所有的电池串的输出电压之和。

通过采用上述方法，本发明能够较精确的判断出旁路二极管的导通点，从而较精确的反映出光伏组件I-V曲线的峰值点，为失配情况下组件性能的简单精确模拟奠定了基础。

附图说明

图1为单二极管模型的光伏组件等效电路图；

图2为传统的以电池串组件为基本单元的串联光伏阵列示意图；

图3为本发明的以单电池为基本单元的光伏组件示意图；

图4为二极管伏安特性曲线；

图5为反偏压范围内，二极管模型的等效电路图；

图6为本发明的实施例中模拟结果与实验结果的光伏特性对比图；

图6(a)为实验1的对比图，图6(b)为实验2的对比图，图6(c)为实验3的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种光伏组件输出特性的判断方法，包括以下几个部分：

1、建立光伏组件输出特性的数学模型

目前对于光伏组件输出性能的理论模型，工程上主要采用精度较高且计算较简单的单二极管模型，其等效电路图如图1所示，根据基尔霍夫电流定律可得，流经光伏组件的电流I为：

I = I_{ph} - I_{D} - I_{sh} = I_{ph} - I_{O} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - \frac{V + {IR}_{s}}{R_{sh}} - - - (1)

其中，

a = \frac{nkT}{q} - - - (2)

式中，I_ph为光伏组件的光生电流，单位为A，I_D为流经二极管的电流，单位为A，I_sh为并联电阻的电流，I_O为二极管反向饱和电流，单位为A，R_s为串联电阻，单位为Ω；R_sh为并联电阻，单位为Ω；a为曲面拟合参数，n为二极管理想因子，k为玻尔兹曼常数，1.38*10^-23J/K，q为电子电荷，1.6*10^-16C，T为电池温度，单位为K。

通常并联电阻R_sh很大，而晶体硅太阳电池的并联电阻大于100Ω时，可忽略不计，则式(1)简化为如下形式：

I = I_{ph} - I_{D} = I_{ph} - I_{o} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - - - (3)

光伏组件的输出电压V为：

V = a \ln (\frac{I_{ph} - I}{I_{o}} + 1) - {IR}_{s} - - - (4)

式(3)和式(4)即为光伏组件输出特性的数学模型。

2、计算阴影遮挡情况下光伏组件的输出特性

目前，对于阴影遮挡情况下光伏组件输出性能的计算方法，大都以旁路二极管所保护的电池串为一个基本单元，即失配存在于由基本单元组成的串联电路中，基本单元内部无失配现象发生，其模型示意图如图2所示。

由图2可知，当电池串单元1被阴影遮挡或其辐照度小于其他电池串单元辐照度时，其光生电流I_ph1<I_ph2＝I_ph3＝…＝I_phm，因外接负载的不同，流经电池串单元电流亦不同，电池串单元1的旁路二极管有导通与截止两种情况：

(1)0<＝I<＝I_ph1，即外接负载较大，串联电路输出电流较小，旁路二极管1处于截止状态，电池串单元1可对外正常输出功率，则整个光伏组件串联电路的输出电压V为：

V = V_{1} + Σ_{i = 2}^{m} V_{i} = a_{1} \ln (\frac{I_{ph 1} - I}{I_{o 1}} + 1) - {IR}_{s 1} + (m - 1) (a_{m} \ln (\frac{I_{phm} - I}{I_{om}} + 1) - {IR}_{sm}) - - - (5)

其中，V_i(i＝1,2,……,m)为第i个电池串单元输出的电压，m为串联的电池串的个数，I_phi(i＝1,2,……,m)为第i个电池串单元的光生电流，I_oi(i＝1,2,……,m)为第i个电池串单元的旁路二极管的反向饱和电流，a_i(i＝1,2,……,m)为第i个电池串单元的曲面拟合参数，R_si(i＝1,2,……,m)为第i个电池串单元的串联电阻；

电池串单元2，3，……，m均未被遮挡，故其曲面拟合参数a_i(i＝2,……,m)，光生电流I_phi(i＝2,……,m)，二极管的反向饱和电流I_oi(i＝2,……,m)，串联电阻R_si(i＝2,……,m)都相等。

所有的电池串为串联，故流经所有的电池串的电流均为I。

(2)I_ph1<I<＝I_ph2，即外接负载较小，串联电路输出电流较大，在此电流状态下电池串单元1作为负载消耗一定的功率，此时旁路二极管1处于导通状态，电流由旁路二极管流过，电池串单元1输出电压等于旁路二极管的正向偏压，这种情况下，整个光伏组件串联电路的输出电压V为：

V = V_{1} + Σ_{i = 2}^{m} V_{i} = - V_{b} + (m - 1) (a_{m} \ln (\frac{I_{phm} - I}{I_{om}} + 1) - {IR}_{sm}) - - - (6)

其中，

V_{b} = \frac{n_{b} {kT}_{b}}{q} \ln (\frac{I - I_{ph 1}}{I_{ob}} + 1) - - - (7)

式中，V_b为旁路二极管正向偏压，n_b为二极管理想因子，T_b为二极管温度，I_ob为旁路二极管反向饱和电流。

利用上述流经光伏组件串联阵列的电流来做分段函数的方法能够得到在失配情况下I-V曲线的多峰特性。

虽然上述方法可较精确地得出部分光伏组件被遮挡的情况下串联阵列的输出性能，但其以旁路二极管所保护的电池串为基本遮挡单位，不能够满足实际复杂情形下光伏组件输出的需求。目前商用光伏组件大都含有多个旁路二极管，本发明中将光伏组件分为等量的被旁路二极管保护的电池串，其示意图如图3所示。

首先，设光伏组件含有N个旁路二极管，将光伏组件分为等量的被旁路二极管保护的电池串，设旁路二极管1所保护的电池串1的电池片为：1-1，1-2，……，1-m，旁路二极管2所保护的电池串2的电池片为：2-1，2-2，……，2-m，……，旁路二极管N所保护的电池串N的电池片为：N-1，N-2，……，N-m。

其次，计算每一个电池片的输出电压。

对于每1个电池片只有2种情况：遮挡和未被遮挡。

对于被遮挡电池片的输出电压的计算，如下：

假设电池串1中的电池片1-1被遮挡，其光生电流存在关系：I_ph,1-1＜I_ph,1-2＝I_ph,1-3＝…＝I_ph,1-m，根据光伏组件外接负载的不同，流经光伏组件的电流不同，旁路二极管1有导通与截止两种状态：

(a)若0≤I≤I_ph,1-1，即外接负载较大，串联电路输出电流较小，电池单元1-1可对外正常输出功率，旁路二极管1处于截止状态，此时，电池片1-1的输出电压V_1-1为：

V_{1 - 1} = a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - {IR}_{s 1 - 1} - - - (8)

式中，V_1-1为第1-1个电池片的输出电压，a_1-1为第1-1个电池片的曲面拟合参数，I_ph,1-1为第1-1个电池片的光生电流，I_o1-1为第1-1个电池片的旁路二极管的反向饱和电流，R_s1-1为第1-1个电池片的串联电阻，a_1-1，I_ph,1-1，I_o1-1，R_s1-1可以根据五参数计算法得到。

(b)若I_ph,1-1<I≤I_ph,1-2，在此种情况下，流经被遮挡电池片的电流大于其光生电流，电池单元1-1有与原电流相反的部分电流流经p-n二极管及并联电阻，旁路二极管1处于导通状态，由图4所示的二极管反向特性可知，在一定的反偏电压范围内，流经p-n二极管的电流仅为10^-1mA级，可忽略不计，此时二极管模型的等效电路图如图5所示，满足以下关系：

\{\begin{matrix} I_{D 1 - 1} &RightArrow; 0 \\ I_{sh 1 - 1} = I_{ph 1 - 1} - I \\ V_{1 - 1} + {IR}_{1 - 1} = I_{sh 1 - 1} R_{sh 1 - 1} \end{matrix} - - - (9)

式中，I_D1-1为流经二极管的电流，I_sh1-1为流经并联电阻电流

根据式(9)，电池片1-1的输出电压V_1-1为：

V_1-1＝-(I-I_ph,1-1)R_sh1-1-IR_s1-1 (10)

由图4所示的二极管正向特性可知，当旁路二极管完全导通时，随着电流的不断增大，电压变化很微小。因此在旁路二极管正向导通后，假设旁路二极管电压恒定，由基尔霍夫电压定律可知，旁路二极管所保护的电池串的串电压等于其旁路二级管的正向导通电压，即当V₁≤-V_bd时，旁路二极管完全导通，起到分流作用，使得电池串的串电压与二极管正向导通电压相同，即电池串1的输出电压V₁为：

V₁＝-V_bd (11)

V_bd为旁路二极管导通时的正向压降，锗管0.3V，硅管0.7V。

所有电池串中任何一个被遮挡的电池片，其输出电压的计算方法与所述电池片1-1的计算方法相同。

对于未被遮挡电池片的输出电压的计算，遵循单二极管模型，则对于电池串1中未被遮挡的电池片的输出电压的表达式为：

V_{1 - i} = a_{1 - i} \ln (\frac{I_{ph, 1 - i} - I}{I_{o 1 - i}} + 1) - {IR}_{s 1 - i} - - - (12)

其中，1-i为电池串1中未被遮挡的电池片，V_1-i为电池片的输出电压，a_1-i为电池片的曲面拟合参数，I_ph,1-i为电池片的光生电流，I_o1-i为电池片的旁路二极管的反向饱和电流，R_s1-i为电池片的串联电阻；参数a_1-i，I_ph,1-i，I_o1-i，R_s1-i均可根据五参数模型求得。

另外，在电池串1中所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)都对应同一个旁路二极管，故所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)的值都是相等的；

电池片1-2，1-3，……，1-m均未被遮挡，故其曲面拟合参数a_1-i(i＝2,……,m)，光生电流I_ph,1-i(i＝2,……,m)，串联电阻R_s1-i(i＝2,……,m)都相等。

再次，计算整个电池串的输出电压。

整个电池串的输出电压为每个电池片的输出电压之和，也就是被遮挡的电池片和未被遮挡的电池片的输出电压之和，分为以下两种情况：

以电池串1中的电池片1-1被遮挡的情况为例，电池串1的输出电压V₁为：

V_{1} = V_{1 - 1} + Σ_{i = 2}^{m} V_{1 - i} = \{\begin{matrix} a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - I R_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (0 \leq I \leq I_{ph, 1 - 1}) \\ - (I - I_{ph, 1 - 1}) R_{sh 1 - 1} - {IR}_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} > - V_{bd}) \\ - V_{bd} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} \leq - V_{bd}) \end{matrix} - - - (13)

其中，V_1-i(i＝1,2,……,m)为第1-i个电池片的输出电压，a_1-i(i＝1,2,……,m)为第1-i个电池片的曲面拟合参数，I_ph,1-i(i＝1,2,……,m)为第1-i个电池片的光生电流，I_o1-i(i＝1,2,……,m)为第1-i个电池片的旁路二极管的反向饱和电流，R_s1-i(i＝1,2,……,m)为第1-i个电池片的串联电阻；a_1-i，I_ph,1-i，I_o1-i，R_s1-i均可根据五参数模型求得。

实际上，所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)都对应同一个旁路二极管，故所有的I_o1-i(i＝1,2,……,m)的值都是相等的；

所有的电池片为串联，故流经所有的电池片的电流均为I，相应的流经光伏组件1的电流也为I。

如果电池串1中还存在其余电池片被遮挡，计算方法与上述电池片1-1被遮挡的情况相同。分别求出每个电池片的输出电压，整个光伏组件的输出电压即为所有串联的电池片的输出电压之和。

如果整个电池串中不含被遮挡的电池片，则电池串的输出电压V_k为：

V_{k} = a_{k} \ln (\frac{I_{ph, k} - I}{I_{ok}} + 1) - {IR}_{sk} - - - (14)

其中，k(k∈N)为不含被遮挡的电池片的电池串，a_k为电池串的曲面拟合参数，I_ph,k为电池串的光生电流，I_ok为电池串的旁路二极管的反向饱和电流，R_sk为电池串的串联电阻。a_k，I_ph,k，I_ok，R_sk均可根据五参数模型求得。

最后，得到整个光伏组件的输出电压。

对于整个光伏组件来说，其输出电压V为含遮挡电池片的电池串的输出电压与不含遮挡电池片的电池串的输出电压之和。

仍以电池串1中的电池片1-1被遮挡的情况为例，整个光伏组件的输出电压V为：

V = V_{1} + Σ_{i = 2}^{N} V_{i} = V_{1} + (N - 1) * (a_{N} \ln (\frac{I_{ph, N} - I}{I_{oN}} + 1) - {IR}_{sN}) - - - (15)

式中，

V_{1} = \{\begin{matrix} a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - I R_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (0 \leq I \leq I_{ph, 1 - 1}) \\ - (I - I_{ph, 1 - 1}) R_{sh 1 - 1} - {IR}_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} > - V_{bd}) \\ - V_{bd} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} \leq - V_{bd}) \end{matrix} - - - (13)

其中，V_i(i＝1,2,……,N)为第i个电池串的输出电压；a_i(i＝2,……,N)为第i个电池串的曲面拟合参数，I_ph,i(i＝2,……,N)为第i个电池串的光生电流，I_oN(i＝2,……,N)为第i个电池串的旁路二极管的反向饱和电流，R_sN(i＝2,……,N)为第i个电池片的串联电阻；

因为电池串2，3，……，N均不含被遮挡的电池片，故其曲面拟合参数a_i(i＝2,……,N)，光生电流I_ph,i(i＝2,……,N)，串联电阻R_si(i＝2,……,N)，旁路二极管的反向饱和电流I_oi(i＝2,……,N)都是相等的，这里都用a_N，I_ph,N，R_sN，I_oN表示。

电池串1中，未被遮挡的电池片1-2,1-3,……,1-m中的参数都用a_1-m，I_ph,1-m，R_s1-m，I_o1-m表示。

所有的电池串串联构成光伏组件，故流经光伏组件的电流也为I。

如果光伏组件中，还存在其余的含电池片被遮挡的电池串，计算方法与电池串1被遮挡的情况相同。分别求出每个电池片的输出电压，整个电池串的输出电压即为所有串联的电池片的输出电压之和，然后将所有的电池串的输出电压相加，得到整个光伏组件的输出电压。

为了验证本发明方法的精确性，选取天合光能TSM-230PC05组件作为实验组件，采用传统的以旁路二极管所保护的电池串为一个基本单元，对光伏组件的输出性能进行分析，以及采用本发明的以单电池片为一个基本单元，对光伏组件的输出性能进行分析，并和实验结果相对比，进行了3组实验，结果如图6(a)，(b)，(c)所示。

其组件具体性能参数如表1所示。由表1可知，该实验光伏组件中含有三个旁路二极管保护串，每个旁路二极管保护串含有20个串联的电池片。

3组实验被遮挡的电池情况如表2所示。

表1TSM-230PC05组件性能参数

表2各实验方案的环境数据

表1中，P_mp为光伏组件最大输出功率，I_sc为短路电流，I_mp为最大功率点出电流，V_oc为开路电压，V_mp为最大功率点出电压。

由图6可知，使用传统的以旁路二极管所保护的电池串为基本单元的计算方法，在模拟单电池被遮挡的情况下，其计算结果与实验结果相比，在输出电流相同的情况下其输出电压偏大，因此最大功率点与实际测量值相比偏大，其最大功率点误差在8％左右。而采用本发明所计算出的单片电池被遮挡的情况具有较高的精确度，从图6中可以看出，对于各种复杂的遮挡情况，其计算值与实验值有很好的吻合度，对于光伏组件输出特性的峰值点，与实际测量结果相比最大误差均在3％以内，而平均误差仅为1.14％，具有很高的精确度。

本发明适用于不同遮挡面积的情况，模拟的结果与遮挡的面积密切相关，但从图6可以看出，模拟结果反映的理论事实总是满足本发明的方法。

Claims

1.一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立光伏组件输出特性的数学模型；

2)建立光伏组件的多旁路二极管模型；

3)分别求出每个电池串中每个电池片的输出电压；

4)得到整个电池串的输出电压；

5)得到整个光伏组件的输出电压。

2.根据权利要求1所述的一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，所述步骤1)建立光伏组件输出特性的数学模型的具体过程为：

I = I_{ph} - I_{D} - I_{sh} = I_{ph} - I_{O} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - \frac{V + {IR}_{s}}{R_{sh}} - - - (1)

其中，

a = \frac{nkT}{q}

I = I_{ph} - I_{D} = I_{ph} - I_{o} {\exp (\frac{V + {IR}_{s}}{a}) - 1} - - - (3)

光伏组件的单二极管模型的输出电压V为：

V = a \ln (\frac{I_{ph} - I}{I_{o}} + 1) - {IR}_{s} - - - (4)

式(3)和式(4)即为光伏组件输出特性的数学模型。

3.根据权利要求1所述的一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，所述步骤2)中光伏组件的多旁路二极管模型为：设光伏组件含有N个旁路二极管，将光伏组件分为等量的被旁路二极管保护的电池串，设旁路二极管1所保护的电池串1的电池片为：1-1，1-2，……，1-m，旁路二极管2所保护的电池串2的电池片为：2-1，2-2，……，2-m，……，旁路二极管N所保护的电池串N的电池片为：N-1，N-2，……，N-m。

4.根据权利要求1所述的一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，所述步骤3)中每个电池片的输出电压的计算方法为：

对于每1个电池片只有2种情况：遮挡和未被遮挡，

3-1)被遮挡电池片的输出电压的计算：

V_{1 - 1} = a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - {IR}_{s 1 - 1} - - - (8)

V_1-1＝-(I-I_ph,1-1)R_sh1-1-IR_s1-1 (10)

其中，R_sh1-1为电池片1-1的并联电阻；

V₁＝-V_bd (11)

V_bd为旁路二极管导通时的正向压降；

3-2)未被遮挡电池片的输出电压的计算：

V_{1 - i} = a_{1 - i} \ln (\frac{I_{ph, 1 - i} - I}{I_{o 1 - i}} + 1) - {IR}_{s 1 - i} - - - (12)

5.根据权利要求1所述的一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，所述步骤4)中，整个电池串的输出电压为每个电池片的输出电压之和，即被遮挡的电池片和未被遮挡的电池片的输出电压之和，分为两种情况：

V_{1} = V_{1 - 1} + Σ_{i = 2}^{m} V_{1 - i} = \{\begin{matrix} a_{1 - 1} \ln (\frac{I_{ph, 1 - 1} - I}{I_{o 1 - 1}} + 1) - I R_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (0 \leq I \leq I_{ph, 1 - 1}) \\ - (I - I_{ph, 1 - 1}) R_{sh 1 - 1} - {IR}_{s 1 - 1} + (m - 1) (a_{1 - m} \ln (\frac{I_{ph, 1 - m} - I}{I_{o 1 - m}} + 1) - {IR}_{s 1 - m}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} > - V_{bd}) \\ - V_{bd} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (I_{ph, 1 - 1} \leq I \leq I_{ph, 1 - m} & V_{1} \leq - V_{bd}) \end{matrix} - - - (13)

V_{k} = a_{k} \ln (\frac{I_{ph, k} - I}{I_{ok}} + 1) - {IR}_{sk} - - - (14)

6.根据权利要求1所述的一种光伏组件输出特性的判断方法，其特征在于，所述步骤5)中，整个光伏组件的输出电压为所述步骤4)计算的所有的电池串的输出电压之和。