CN108509757A - 一种光伏电池模型的搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种光伏电池模型的搭建方法，包括以下步骤：步骤一，获取光伏电池的实测I‑V输出数据组；步骤二，得到光伏电池模型的I‑V输出数据组，同时，将该光伏电池模型的I‑V输出数据组和光伏电池的实测I‑V输出数据组分别生成I‑V曲线散点图；步骤三，将步骤二中所得的两条I‑V曲线散点图进行拟合直至完全拟合，得到最优的模型参数；步骤四，利用LTspice建立电池双二极管模型，并将最优模型参数输入至该电池双二极管模型中，即完成光伏电池双二极管模型的建立；本发明方便地实现电池模型之间的串并联连接，并为每个电池模型设置不同的运行条件和参数，实现各种复杂条件下的电池或组件的仿真；所有的模拟输出数据都可导出，便于数据对比分析。

Description

一种光伏电池模型的搭建方法

技术领域

本发明属于光伏电池领域，具体涉及一种光伏电池模型的搭建方法。

背景技术

光伏电池和组件的发展越来越复杂，组件电路形式也呈现多样化，提前预判组件的输出特性、筛选出最优的设计方案显得尤为重要。传统方法需进行多种电池或者组件的实测对比分析来确定最优的设计方案。这种方式工作量庞大、耗材费力，不仅增加研发人员工作负担而且使得研发进度缓慢。

采用模拟软件对电池及组件电路进行建模仿真能方便、快捷、准确地分析电池和组件的输出电气特性，不仅能提高研发效率而且减少了传统方式中人力和材料的损耗。

现有光伏电池建模采用的是图1所示的光伏电池单二极管电路模型。其方法为：先获取光伏电池在STC(标准测试条件)下的主要输出参数；根据光伏电池的主要输出参数确定光伏电池单二极管模型的等效串联电阻和二极管的反向饱和电流；再根据光伏电池STC下的主要输出参数、等效串联电阻和二极管的反向饱和电流确定电池模型的负载输出电流，最后用MATLAB软件建立光伏电池的单二极管仿真模型，并将确定的串联电阻和二极管反向饱和电流，负载输出电流带入建立的电池模型。具体可见专利CN 105787235 A。

现有光伏电池模型采用的是电池的单二极管模型。模型电路表达式为：

实测获得光伏电池在STC下主要输出参数值，包括电池短路电流I_sc、开路电压U_oc、最大功率点电流I_m、最大功率点电压U_m。

然后根据光伏电池的主要输出参数和式2推导出光伏电池的等效串联电阻：

根据电池的主要输出参数和式3确定电池二极管的反向饱和电流。

最后根据光伏电池的主要输出参数、式1、式2、式3利用MATLAB软件搭建电池模型。

现有技术的缺点

1、首先，光伏电池的单二极管模型在低辐照度下的仿真精确度差，尤其在靠近光伏电池开路电压处；其次，该模型只考虑了电池表面和体区的复合电流，未考虑电池耗尽层复合电流，导致电池在低压处的仿真精确度差，因为电池处在低电压状态时处耗尽层的复合电流占主导作用。

2、针对不同的电池工作条件，单二极管模型需引入多个补偿系数进行修正，并且需大量实验数据确定这些补偿系数；其次，在进行电池模型输出曲线与实际电池输出曲线拟合时，需要在仿真软件中运用复杂的数学算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏电池模型的搭建方法，解决了现有的光伏电池建模采用的是单二极管模型，该模型存在仿真精确度差、且在仿真过程中需要引入多个补偿系数进行修正，进而使得模型的建立复杂化的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种光伏电池模型的搭建方法，包括以下步骤：

步骤一，根据电池双二极管模型电路形式和光伏电池双二极管模型的电路数学表达式，获取光伏电池模型的I-V输出数据组，同时，将该光伏电池模型的I-V输出数据组和光伏电池的实测I-V输出数据组分别生成I-V曲线散点图；

步骤二，将步骤一中所得的两条I-V曲线散点图进行拟合直至完全拟合，得到最优的模型参数；

步骤三，建立电池双二极管模型，并将步骤二中所得到的最优模型参数输入至该电池双二极管模型中，即完成光伏电池双二极管模型的建立。

优选地，步骤一中，光伏电池双二极管模型的电路数学表达式是由电池双二极管模型电路形式结合基尔霍夫电路定律得到；

其中，光伏电池双二极管模型的电路数学表达式为：

其中，I_L为光伏电池输出至负载的电流；I_ph为光生电流，等于光伏电池的短路电流I_sc；q为电荷量，值为1.6×10-¹⁹C；k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/k；T为环境温度；U为光伏电池的输出负载电压；I₀₁为光伏电池模型中二极管D1的反向饱和电流；I₀₂为光伏电池模型中二极管D2的反向饱和电流；n₁是二极管D1的理想因子，这里取n₁为1；n₂是二极管D2的理想因子，这里取n₂为2；R_s为电池的等效串联电阻；R_sh为电池的等效并联电阻。

优选地，步骤一中，光伏电池双二极管模型的I-V输出数据组的具体获取方法是：

首先，采用列表式分别表示出流经二极管D1的电流值I_d1、流经二极管D2的电流I_d2、并联电阻的电流I_sh、电池输出负载电流I_L、二极管的端电压V_d及输出电压U；

然后，给二极管的端电压V_d赋一组值，在该组值内，每个V_d值都对应一组负载电流I_L和输出电压U，即得到光伏电池模型的I-V输出数据组。

优选地，根据电池双二极管模型电路形式和光伏电池双二极管模型的电路数学表达式可知：

表示流经二极管D1的电流，设为I_d1；

表示流经二极管D2的电流，设为I_d2；

表示流过等效并联电阻的电流，设为I_sh；

U+I_LR_s表示二极管的端电压，假设为V_d；

I_LR_s为等效串联电阻两端的电压，设为U_rs；

因此，电池输出的负载电流I_L为：I_L＝I_ph-I_d1-I_d2-I_sh；

光伏电池的输出负载电压为：U＝V_d-U_rs。

优选地，步骤二中，将步骤二中所得的两条I-V曲线散点图进行拟合直至完全拟合的具体方法是：

根据两条I-V曲线散点图的形状及位置的差别逐步调节变量I₀₁、I₀₂、R_s和R_sh，直至I-V曲线散点图完全拟合，此时的调节变量为最终所要提取的模型最优参数值。

优选地，步骤三中，光伏电池双二极管模型的具体搭建过程为：

将LTspice中的直流电流源B1作为光伏电池的光生电流；将直流电压源V1作为辐照度变化量；将直流电压源V2作为负载；将二极管D1和D2作为光伏电池的内部寄生两个等效二极管；将电阻R1和R2作为光伏电池的串联电阻和并联电阻。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种光伏电池模型的搭建方法，提出了一种建立光伏电池双二极管模型的思路和想法，相对于单二极管模型，双二极管模型中额外增加了一个二极管支路，这个添加的二极管支路考虑了光伏电池PN结耗尽层中的复合电流损失，能有效提高电池仿真模型在低辐照度以及低电压条件下的仿真精确度；

同时，本专利提出的模型参数提取方法只需要先获得1组光伏电池的实测I-V数据，然后用EXCEL将这组实测I-V数据绘制成曲线；再将光伏电池模型的I-V数据用EXCEL绘制成曲线，并与电池的实测I-V曲线放置在同一张图中；然后在EXCEL中调整模型中未知参数的值，直到实现两条曲线完全拟合，此时的参数值就是双二极管模型的参数。这种电池模型参数提取的方法主要是通过EXCEL拟合曲线来实现，不需要复杂的数学算法和运算，也不需要引入额外的补偿系数；

同时，本专利使用的LTspice软件可以迅速方便地搭建电池的双二极管模型，相比于MATLAB，Tspice可以用自带的元器件将电池模型电路直观明了地表示出来并且可以方便地修改模型参数以及模型运行条件。除此之外，LTspice可以方便地实现电池模型之间的串并联连接，并为每个电池模型设置不同的运行条件和参数，实现各种复杂条件下的电池或组件的仿真；所有的模拟输出数据都可导出，便于数据对比分析。

进一步的，本专利提出的采用EXCEL提取光伏电池模型参数方法不限电池种类，可用于任何技术路线下的光伏晶硅电池，包括PERC单双面电池以及切片电池等。

进一步的，本专利采用LTspice搭建光伏电池模型及设置模型参数的方法，不只是适用于光伏电池的双二极管模型，也可以用于光伏电池的单二极管模型及其他种类模型的建立和参数设置。

进一步的，本专利提出的电池建模和曲线拟合的方法同样适用于光伏组件的建模及光伏组件的输出I-V曲线拟合。

附图说明

图1是现有的单二极管模型的电路图；

图2是本发明的搭建方法的流程图；

图3是本发明采用的双二极管模型的电路图；

图4是两条I-V离散图未完全拟合的示意图；

图5是两条I-V离散图完全拟合的示意图；

图6是利用LTspice搭建的双二极管模型的电路图；

图7是在STC下的模拟仿真得到的模拟输出I-V曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供的一种光伏电池模型的搭建方法，包括以下步骤：

步骤一，根据电池双二极管模型电路形式和光伏电池双二极管模型的电路数学表达式，获取光伏电池模型的I-V输出数据组，同时，将该光伏电池模型的I-V输出数据组和光伏电池的实测I-V输出数据组分别生成I-V曲线散点图；

步骤二，将步骤一中所得的两条I-V曲线散点图进行拟合直至完全拟合，得到最优的模型参数；

步骤三，建立电池双二极管模型，并将步骤二中所得到的最优模型参数输入至该电池双二极管模型中，即完成光伏电池双二极管模型的建立。

具体地：

步骤一中：图3是本专利提出的电池双二极管模型电路形式，其中，图3中左侧电流源、两个二极管以及电阻R_sh先并联后，再与电阻R_s串联，最后与外部负载LOAD串联构成完整的电流回路。电流源提供的电流I_ph表示光伏电池的光生电流，也即为光伏电池的短路电流I_sc；流经第1个二极管的电流I_d1表示光伏电池表面载流子的复合电流；流经第2个二极管的电流I_d2表示光伏电池耗尽层载流子的复合电流；流过并联电阻R_sh的电流I_sh表示因电池边缘缺陷及隐裂引起的漏电流；电阻R_s表示电池内部体电阻、方块电阻、表面金属电阻及金属与硅材料的接触电阻的总和。如图3所示，I_ph与I_d1、I_d2、I_sh电流方向相反，因此流过负载的电流I为光生电流I_ph与其余三者电流之和的差值。图3中流过负载的电流I即为式4中的I_L。

由图3结合基尔霍夫电路定律可得到光伏电池双二极管模型的电路数学表达式：

其中，I_L为光伏电池输出至负载的电流；I_ph为光生电流，等于光伏电池的短路电流I_sc；q为电荷量，值为1.6×10-¹⁹C；k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/k；T为环境温度；U为光伏电池的输出负载电压；I₀₁为光伏电池模型中二极管D1的反向饱和电流；I₀₂为光伏电池模型中二极管D2的反向饱和电流；n₁是二极管D1的理想因子，这里取n₁为1；n₂是二极管D2的理想因子，这里取n₂为2；R_s为电池的等效串联电阻；R_sh为电池的等效并联电阻。

本专利提出的光伏电池的实测I-V数据组，即一组光伏电池的输出电压和对应的输出电流值。

根据实测得到的光伏电池的I-V数据组得到光伏电池的光伏电池的开路电压Uo_c、光伏电池的短路电流I_sc、光伏电池最大功率点处的电流I_m、光伏电池最大功率点处的电压V_m、光伏电池的最大功率P_m；

同时，由I_ph＝I_sc可以直接确定式4中的I_ph；剩余只需确定实际模型中的参数I₀₁、I₀₂、R_s和R_sh，根据图2和式4可知：

表示流经二极管D1的电流，设为I_d1；

表示流经二极管D2的电流，设为I_d2；

表示流过等效并联电阻的电流，设为I_sh；

U+I_LR_s表示二极管的端电压，假设为V_d；

I_LR_s为等效串联电阻两端的电压，设为U_rs；

因此，电池输出的负载电流I_L为：I_L＝I_ph-I_d1-I_d2-I_sh；

光伏电池的输出负载电压为：U＝V_d-U_rs。

本专利中涉及的模型参数提取工作都是在EXCEL中完成，以提取PERC半片电池模型参数为例：

首先，在EXCEL中选择1列表示出二极管的端电压V_d，并设定1组值，从0开始，间隔为0.001V，一直到0.7V；

然后，另取5列分别将流经二极管D1的电流值I_d1、流经二极管D2的电流I_d2、并联电阻的电流I_sh、电池输出负载电流I_L及输出电压U用表达式表示出来，这些表达式都是包含V_d的函数，因此对应1组V_d值，最终会得到1组电池输出负载电流I_L的数据和1组输出电压U的数据，这两组数据就是光电池模型的I-V输出数据。

将根据模型得到的I-V输出数据组和实测的光伏电池的输出I-V数据组，同时生成带平滑线的散点图，并放置在一张图表中，如果两条曲线未完全拟合，如图4所示，说明此时的模型参数不准确，需根据两条曲线形状及位置的差别逐步调节变量I₀₁、I₀₂、R_s、R_sh，直至两条曲线完全拟合，如图5。曲线完全拟合时候的I₀₁、I₀₂、R_s和R_sh的值，就是最终提取的模型最优参数值。

模型的搭建：

本专利采用LTspice软件搭建图3所示的光伏电池双二极管模型，模型中所有的元件都是LTspice自带的，具体过程为：

选用LTspice中的直流电流源B1作为光伏电池的光生电流；

选择直流电压源V1作为辐照度变化量；

选择直流电压源V2作为负载；

选择二极管D1和D2作为光伏电池的内部寄生两个等效二极管；

再选择电阻R1和R2作为光伏电池的串联电阻和并联电阻；

图6所示为采用LTspice搭建好的PERC半片电池的电路模型及设置的模型参数，具体地：

首先，将电池模型参数提取环节中最终确定的I₀₁、I₀₂、R_s和R_sh值分别带入LTspice模型中的Is1、Is2、r_s、r_sh；LTspice中模型参数设定方法如下：

.param TC＝25

.param tempC＝27.15+(TC-25)*1.38

.param Isc＝4.95

.param r_sh＝440

.param r_s＝0.0033

.param Is1＝1.29e-11

.param Is2＝1.83e-6

.MODEL D_n1D(Is＝{Is1},n＝1)

.MODEL D_n2D(Is＝{Is2},n＝2)

上述参数设定完毕，最终完成光伏电池的双二极管模型的建立。

对所建立的光伏电池的双二极管模型进行试验测试，具体地：

首先，更改模型中V1、TC值可以实现光伏电池在不同温度、不同辐照度下的输出特性模拟；

其次，用搭建的电池模型进行STC下的模拟仿真，得到模拟输出I-V曲线如图7；由图7所示可得，光伏电池模型的主要电气输出参数和光伏电池实际输出参数对比如下表：

比较分析可知，采用本专利方法得到的光伏电池模型仿真精确度偏差<0.7％。电池模型仿真结果输出几乎等于实际电池的输出。

本发明带来的有益效果

1、提出的光伏电池双二极管模型能有效提高光伏电池模型的仿真精确度，主要是提高光伏电池模型在低辐照度、以及低输出电压下的模型仿真精确度。

2、采用列表式进行光伏电池模型参数提取，不仅方便快捷，且得到的模型参数准确。本专利提出的曲线拟合方法可实现电池模型仿真输出I-V曲线与电池实际输出I-V曲线完全拟合，提高了曲线拟合的准确度。

3.采用LTspice搭建的光伏电池模型直观、清晰、易懂；模型参数设置及修改方便快捷。可实现电池间不同的连接形式，提高了光伏电池建模的灵活性，并降低了建模的复杂度。

Claims (6)

1.一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，根据电池双二极管模型电路形式和光伏电池双二极管模型的电路数学表达式，获取光伏电池模型的I-V输出数据组，同时，将该光伏电池模型的I-V输出数据组和光伏电池的实测I-V输出数据组分别生成I-V曲线散点图；

步骤二，将步骤一中所得的两条I-V曲线散点图进行拟合直至完全拟合，得到最优的模型参数；

步骤三，建立电池双二极管模型，并将步骤二中所得到的最优模型参数输入至该电池双二极管模型中，即完成光伏电池双二极管模型的建立。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，步骤一中，光伏电池双二极管模型的电路数学表达式是由电池双二极管模型电路形式结合基尔霍夫电路定律得到；

其中，光伏电池双二极管模型的电路数学表达式为：

其中，I_L为光伏电池输出至负载的电流；I_ph为光生电流，等于光伏电池的短路电流I_sc；q为电荷量，值为1.6×10^-19C；k为波尔兹曼常量，值为1.38×10^-23J/k；T为环境温度；U为光伏电池的输出负载电压；I₀₁为光伏电池模型中二极管D1的反向饱和电流；I₀₂为光伏电池模型中二极管D2的反向饱和电流；n₁是二极管D1的理想因子，这里取n₁为1；n₂是二极管D2的理想因子，这里取n₂为2；R_s为电池的等效串联电阻；R_sh为电池的等效并联电阻。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，步骤一中，光伏电池双二极管模型的I-V输出数据组的具体获取方法是：

首先，采用列表式分别表示出流经二极管D1的电流值I_d1、流经二极管D2的电流I_d2、并联电阻的电流I_sh、电池输出负载电流I_L、二极管的端电压V_d及输出电压U；

然后，给二极管的端电压V_d赋一组值，在该组值内，每个V_d值都对应一组负载电流I_L和输出电压U，即得到光伏电池模型的I-V输出数据组。

4.根据权利要求3所述的一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，根据电池双二极管模型电路形式和光伏电池双二极管模型的电路数学表达式可知：

表示流经二极管D1的电流，设为I_d1；

表示流经二极管D2的电流，设为I_d2；

表示流过等效并联电阻的电流，设为I_sh；

U+I_LR_s表示二极管的端电压，假设为V_d；

I_LR_s为等效串联电阻两端的电压，设为U_rs；

因此，电池输出的负载电流I_L为：I_L＝I_ph-I_d1-I_d2-I_sh；

光伏电池的输出负载电压为：U＝V_d-U_rs。

5.根据权利要求1所述的一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，步骤二中，将所得的两条I-V曲线散点图进行拟合直至完全拟合的具体方法是：

根据两条I-V曲线散点图的形状及位置的差别逐步调节变量I₀₁、I₀₂、R_s和R_sh，直至I-V曲线散点图完全拟合，此时的调节变量为最终所要提取的模型最优参数值。

6.根据权利要求1所述的一种光伏电池模型的搭建方法，其特征在于，步骤三中，光伏电池双二极管模型的具体搭建过程为：

将LTspice中的直流电流源B1作为光伏电池的光生电流；将直流电压源V1作为辐照度变化量；将直流电压源V2作为负载；将二极管D1和D2作为光伏电池的内部寄生两个等效二极管；将电阻R1和R2作为光伏电池的串联电阻和并联电阻。