CN108694276B - 一种计算串并联光伏组件输出特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，首先根据组件基本参数及环境参数对电池模型参数进行求解，其次以单个电池片为基本单元，根据串联电路电流相同，对串联电池支路进行输出特性分析，得到串联支路的输出特性，再以遮挡类型相同的电池子串为基本单元，求解子串参数，最后根据并联电路电压相同，对并联电池支路进行特性分析，从而得到串并联光伏组件的输出特性。本发明的方法能够计算出串并联光伏组件在不同辐照和不同遮挡下的I‑V，P‑V特性曲线，从而得到不同状态下组件的输出特性，能及时了解不同环境下组件输出功率的变化，有效的避免了外界环境对测量带来的影响。

Description

一种计算串并联光伏组件输出特性的方法

技术领域

本发明涉及一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，属于太阳能光伏技术领域。

背景技术

光伏组件的输出特性一直是光伏领域的研究热点，然而在实际工作过程中，光伏组件受到外界环境因素(辐照不均匀，环境温度变化等)的影响十分大，给光伏组件，特别是串并联光伏组件的输出特性计算带来了较大的困难。

目前，光伏组件阵列分为纯串联阵列和串并联阵列，现有对光伏组件输出特性的研究大都还停留在纯串联组件电路中，对串并联阵列的失配没有更深入的研究，但在实际应用的大型光伏电站中，更多的是组件串并联的模型。因此，急需一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，可以得到在任意遮挡条件下串并联组件阵列失配条件下的输出特性曲现，有助于解串并联光伏组件输出特性变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，利用组件的基本参数开路电压，短路电流，最大功率点电压，最大功率点电流，即可计算出串并联光伏组件在不同辐照，不同温度下的输出电性能关系。

为解决上述技术问题，本发明提供一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，包括：

1)建立光伏电池片的等效模型；

2)分别求出串联支路中不同电流下对应的电池片的电压；

3)计算串联支路的电流与电压特性关系；

4)以遮挡类型相同的电池子串为整体，作为一个电池单元，求解每个电池单元的基本参数；

5)计算每个电池单元对应电压下的电流；

6)得到串并联组件的输出特性关系曲线。

前述的串并联光伏组件是指，若干相串联的光伏电池片并联一个旁路二极管构成一个子串，取多个子串串联构成串联支路，再将多个串联支路并联连接在一起构成并联支路，联合起来就构成串并联光伏组件。

前述的步骤1)建立光伏电池片的等效模型的具体过程为：

11)建立光伏电池片的单二极管四参数等效模型，其伏安特性关系式为：

其中，I为电池片工作电流，V为电池片工作电压，I_ph为电池片的光生电流，单位为A，I₀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，

A为二极管理想因子，K为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，T为电池背板温度，单位为K；

12)计算模型参数V_oc，I_sc，V_m，I_m：

其中，V_oc为电池片开路电压，I_sc为电池片短路电流，V_m为电池片最大功率点电压，I_m为电池片最大功率点电流，I_sc,ref为STC下短路电流，S为工作辐照，ΔT为电池背板温度与标准温度25℃之差，I_m,ref为标况下电池最大功率点电流，V_m,ref为标况下电池最大功率点电压，S_ref为STC下辐照即1000W/m²，V_oc,ref为STC下的开路电压，a为电流温度系数，b为电压温度系数，c为电压随辐照的变化系数，等于

S₂₀₀为200W/m²辐照度；

13)利用模型参数V_oc，I_sc，V_m，I_m计算基本参数I₀，R_s，AV_T：

前述的步骤2)中，取串联支路中电流由0A按步长0.01A增大到短路电流，分别计算出每个电池片对应电流下的电压，计算公式如下：

1)工作电流小于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

2)工作电流大于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

当旁路二极管所并联的电池片的电压之和小于旁路二极管导通电压的相反数，旁路二极管导通。

前述的步骤3)中串联支路的电流与电压特性关系为：

V_n＝V_1-n+V_2-n+...+V_k-n (20)

其中，V_n为在串联支路工作电流值为n时，对应串联支路的总电压；V_1-n～V_k-n为在串联支路工作电流值为n时，该串联支路中电池片1～k的电压值。

前述的步骤4)中电池单元的基本参数I₀'，R_s'，AV_T'计算如下：

其中，I_sc'为电池单元的短路电流，V_oc'为电池单元的开路电压，I_m'为电池单元的最大功率点电流，V_m'为电池单元的最大功率点电压，求解如下：

其中，下标n为工作电流值，由0A按步长0.01A增大到短路电流，上标m表示一个串联支路中的第m个电池单元，

为电池单元m，工作电流值为n时，对应电池单元的总电压；

为在电池单元m工作电流值为n时，该电池单元中电池片1～l的电压值，

为电池单元m在工作电流值为n时，对应电池单元的输出功率；

则电池单元的开路电压V_oc'为工作电流为0时，电池单元的

短路电流I_sc'就是电池单元的短路电流，也就是单片电池的短路电流；V_m'和I_m'由

对应下电压电流获得。

前述的步骤5)中，以电压由0V按步长0.01V增大到开路电压，分别计算每个电池单元对应电压下的电流：

其中，W()为Lambert W函数。

前述的步骤6)中，串并联组件的输出特性关系为：

I_n＝I_1-n+I_2-n+...+I_m-n (27)

其中，I_n为在工作电压值为n时，对应并联支路中的总电流；I_1-n～I_m-n为在工作电压值为n时，串联支路1～m中的支路电流。

最后把对应点的电流电压绘制成I-V和P-V曲线，即可得到串并联光伏组件的输出特性。

本发明的有益效果为：

采用本发明，可以直接利用光伏组件基本参数开路电压，短路电流，最大功率点电压，最大功率点电流，简单而准确的模拟出串并联光伏组件在不同温度和辐照下的输出曲线，能及时了解不同环境下组件输出功率的变化，有效的避免了外界环境对测量带来的影响。

附图说明

图1为单二极管四参数模型的光伏等效电路图；

图2为光伏电池特性曲线图；

图3为串并联光伏组件结构图；

图4为遮挡情况下串并联光伏组件I-V曲线图；

图5为实施例中计算的光伏输出特性关系图；

图5(a)为实验一的计算结果图，图5(b)为实验二的计算结果图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的计算串并联光伏组件输出特性的方法，包括以下几个部分：

1、建立光伏电池片的等效模型，如图1所示，为单二极管四参数等效模型，其伏安特性关系式为：

式中，I为电池片工作电流，V为电池片工作电压，I_ph为光伏电池的光生电流，单位为A，I₀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。

A为二极管理想因子，K为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，T为电池背板温度，单位为K；

从光伏组件中可获取电池片基本参数V_oc，I_sc，V_m，I_m用于模型计算；

其中，V_oc为电池片开路电压，I_sc为电池片短路电流，V_m为电池片最大功率点电压，I_m为电池片最大功率点电流。

不同辐照和温度下光伏电池片的输出特性不相同，温度升高会使电池片开路电压明显下降，辐照升高会使电池片短路电流明显升高，所以不同环境下，电池片的基本参数修订如下：

其中，I_sc,ref为STC(标况下：辐照1000W/m2，25℃)下短路电流；S为电池工作辐照，ΔT为工作电池背板温度与标准温度25℃之差，I_m,ref为标况下电池最大功率点电流，V_m,_ref为标况下电池最大功率点电压，S_ref为STC下辐照，1000W/m²；V_oc,ref为STC下的开路电压；a为电流温度系数；b为电压温度系数；c为电压随辐照的变化系数，等于

S₂₀₀为200W/m²辐照度。

电池片工作电压表达式为：

利用下式(8)(14)(15)计算光伏电池不同环境下的基本参数I₀，R_s，AV_T，推导过程如下：

1)当电压为0V，等式(1)中

远远小于I_ph，所以可以看作

I_ph＝I_sc (7)

2)当电流为0V，联立(7)式，电流电压表达式(6)可简化为：

又因为

远大于1，式(8)可简化为：

3)因为

远大于1，所以在最大功率点处式(1)有：

把式(7)带入(10)得：

3)最大功率点有

则可得：

把(1)式带入(12)计算得：

5)把式子(9)带入(11)，把式子(9)(11)带入(13)得：

2、分别求出串联支路中不同电流下对应的电池片的电压，

串并联光伏组件示意图如图3所示，一般串并联光伏组件由60片串联的电池片组成，每20个电池片并联一个旁路二极管构成一个子串，取多个子串串联构成串联支路，再将多个串联支路并联连接在一起构成并联支路，联合起来就构成光伏组件串并联结构。分别取串联支路电流由0A按步长0.01A增大到短路电流，分别计算出每个电池片对应电流下的电压，从而得到每个电池片的输出特性曲线。

图2为单个电池片工作特性曲线图，分为发电区，耗能区和击穿区工作区域，由于当前光伏组件都并联有旁路二极管，所以电池片不会进入击穿区工作；

发电区电池片的光生电流大于工作电流，其电流电压关系式为：

因为有旁路二极管的存在，耗能区工作又分为两类：

1)旁路二极管未导通，此时被遮挡电池片会拉低整个子串的输出电流，其电流电压关系式为：

T其中，μ为反偏经验系数，由实际情况而定，通常等于0.0016EXP0.01T，T为电池背板温度，单位℃；

2)旁路二极管导通，此时并联这个旁路二极管的子串都会处于被旁路的状态，整个子串的输出电压为旁路二极管导通电压的相反数，一般硅管导通电压为0.7V，锗管为0.3V。

综上，电池片不同工作电流下计算公式如下：

a、工作电流小于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

b、工作电流大于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

进而得到每个电池片的输出特性曲线。

当旁路二极管所并联的电池片的电压之和小于旁路二极管导通电压的相反数，旁路二极管导通。

3、计算串联支路的电流与电压特性

相同电流下，对同一串联支路中电池片电压进行相加，得到每个串联支路的工作I-V曲线，表达式如下：

V_n＝V_1-n+V_2-n+...+V_k-n (20)

其中，V_n为在串联支路工作电流值为n时，对应串联支路的总电压；V_1-n～V_k-n为在串联支路工作电流值为n时，该串联支路中电池片1～k的电压值。

4、以遮挡类型相同的电池子串为整体，求解电池等效模型参数

如图2所示，以一个旁路二极管所并联的电池片为一个电池子串，步骤3已求出串联支路中电池片的输出特性，对于并联支路还需得到不同电压下，各个并联支路的电流关系，以各个遮挡类型相同的电池子串为整体(同一电池子串内电池片被遮挡的最大面积相同即为遮挡类型相同，因为同一旁路内的I-V特性曲线其实是由最差电池片决定的)，图4中，电池子串1、2、3遮挡类型不同，则应该各看作一个单元，也就是把图4中每条完整的阶梯曲线看作一个电池单元，其中，每个电池单元的V_oc，I_sc，V_m，I_m可由计算得到，公式如下：

其中，下标n为工作电流值，由0A按步长0.01A增大到短路电流；上标m表示一个串联支路中的第m个电池单元；

为电池单元m，工作电流值为n时，对应电池单元的总电压；

为在电池单元m工作电流值为n时，该电池单元中电池片1～l的电压值；

为电池单元m在工作电流值为n时，对应电池单元的输出功率；

则电池单元的V_oc'为工作电流为0时，电池单元的

I_sc'就是电池单元的短路电流，也就是单片电池的短路电流；V_m'和I_m'可由

对应下电压电流获得。

再利用电池单元的V_oc'，I_sc'，V_m'，I_m'，对每个电池单元使用四参数模型求解，求得电池单元的基本参数I₀'，R_s'，AV_T'，公式如下：

以电压由0V按步长0.01V增大到开路电压，分别计算出每个电池单元对应电压下的电流，从而得到每个并联支路不同电压下对应的电流值。

电流用Lambert W函数公式计算如下：

其中，W()为Lambert W函数。

5、得到串并联组件的输出特性曲线

相同电压下，对各个并联支路中电池片的电流进行相加，得到串并联组件的工作I-V曲线，表达式如下：

I_n＝I_1-n+I_2-n+...+I_m-n (27)

其中，I_n为在工作电压值为n时，对应并联支路中的总电流；I_1-n～I_m-n为在工作电压值为n时，串联支路1～m中的支路电流。

最后把对应点的电流电压绘制成I-V和P-V曲线，即可得到串并联光伏组件的输出特性。

为了验证本发明方法的精确性，选取天合光能组件作为实验组件，采用实验测试方式与本发明方法计算方式，对光伏组件的输出性能进行分析，并和实验结果相对比，进行两组实验，计算结果如图5(a)，(b)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，由两个组件并联构成电池片串并联结构。实验被遮挡的电池片情况如表2所示，测试与本发明计算数据比较如表3所示；

表1组件性能参数

表2各实验方案的环境参数

表3各实验测试与本发明计算数据比较

由图5和表3可知，本发明方法能完全计算出组件不同环境下的输出特性曲线，各个遮挡拐点都能与遮挡类型相互对应，趋势完全一样，只是可能在数值方面还存在微小的差异；但总的来说，从比较中可看出：模型的内部计算是正确的，避免了模型计算与实际测量值只是最大功率点一致，而其它点偏差太大的情况。

本发明适用于不同遮挡面积情况下，串并联光伏组件输出特性的计算，实验和计算结果反映了本发明的正确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，包括：

1)建立光伏电池片的等效模型，如下：

11)建立光伏电池片的单二极管四参数等效模型，其伏安特性关系式为：

其中，I为电池片工作电流，V为电池片工作电压，I_ph为电池片的光生电流，单位为A，I₀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，

A为二极管理想因子，K为玻尔兹曼常数，q为电子电荷，T为电池背板温度，单位为K；

12)计算模型参数V_oc，I_sc，V_m，I_m：

其中，V_oc为电池片开路电压，I_sc为电池片短路电流，V_m为电池片最大功率点电压，I_m为电池片最大功率点电流，I_sc,ref为STC下短路电流，S为工作辐照，ΔT为电池背板温度与标准温度25℃之差，I_m,ref为标况下电池最大功率点电流，V_m,ref为标况下电池最大功率点电压，S_ref为STC下辐照即1000W/m²，V_oc,ref为STC下的开路电压，a为电流温度系数，b为电压温度系数，c为电压随辐照的变化系数，等于

S₂₀₀为200W/m²辐照度；

13)利用模型参数V_oc，I_sc，V_m，I_m计算基本参数I₀，R_s，AV_T：

2)分别求出串联支路中不同电流下对应的电池片的电压；

3)计算串联支路的电流与电压特性关系；

4)以遮挡类型相同的电池子串为整体，作为一个电池单元，求解每个电池单元的基本参数；

5)计算每个电池单元对应电压下的电流；

6)得到串并联组件的输出特性关系曲线。

2.根据权利要求1所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述串并联光伏组件是指，若干相串联的光伏电池片并联一个旁路二极管构成一个子串，取多个子串串联构成串联支路，再将多个串联支路并联连接在一起构成并联支路，联合起来就构成串并联光伏组件。

3.根据权利要求1所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述步骤2)中，取串联支路中电流由0A按步长0.01A增大到短路电流，分别计算出每个电池片对应电流下的电压，计算公式如下：

1)工作电流小于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

2)工作电流大于电池片光生电流，电池片电压输出式为：

其中，μ为反偏经验系数；

当旁路二极管所并联的电池片的电压之和小于旁路二极管导通电压的相反数，旁路二极管导通。

4.根据权利要求3所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述步骤3)中串联支路的电流与电压特性关系为：

V_n＝V_1-n+V_2-n+...+V_k-n (20)

其中，V_n为在串联支路工作电流值为n时，对应串联支路的总电压；V_1-n～V_k-n为在串联支路工作电流值为n时，该串联支路中电池片1～k的电压值。

5.根据权利要求2所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述步骤4)中电池单元的基本参数I₀'，R_s'，AV_T'计算如下：

其中，I_sc'为电池单元的短路电流，V_oc'为电池单元的开路电压，I_m'为电池单元的最大功率点电流，V_m'为电池单元的最大功率点电压，求解如下：

其中，下标n为工作电流值，由0A按步长0.01A增大到短路电流，上标m表示一个串联支路中的第m个电池单元，

为电池单元m，工作电流值为n时，对应电池单元的总电压；

为在电池单元m工作电流值为n时，该电池单元中电池片1～l的电压值，

为电池单元m在工作电流值为n时，对应电池单元的输出功率；

则电池单元的开路电压V_oc'为工作电流为0时，电池单元的

短路电流I_sc'就是电池单元的短路电流，也就是单片电池的短路电流；V_m'和I_m'由

对应下电压电流获得。

6.根据权利要求5所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述步骤5)中，以电压由0V按步长0.01V增大到开路电压，分别计算每个电池单元对应电压下的电流：

其中，W( )为Lambert W函数。

7.根据权利要求6所述的一种计算串并联光伏组件输出特性的方法，其特征在于，所述步骤6)中，串并联组件的输出特性关系为：

I_n＝I_1-n+I_2-n+...+I_m-n (27)

其中，I_n为在工作电压值为n时，对应并联支路中的总电流；I_1-n～I_m-n为在工作电压值为n时，串联支路1～m中的支路电流；

最后把对应点的电流电压绘制成I-V和P-V曲线，即可得到串并联光伏组件的输出特性。

Images