光伏電池的建模綜述

張純杰， 趙志剛， ?；⑻?/p>

(1.蘭州鐵路局嘉峪關(guān)供電段，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

光伏電池的建模綜述

張純杰1， 趙志剛2， ?；⑻?

(1.蘭州鐵路局嘉峪關(guān)供電段，甘肅嘉峪關(guān)735100；2.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

為了對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證，首先要建立光伏電池的精確模型。基于國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏電池模型的研究成果，闡述了研究的背景、目的和意義，綜述了光伏電池的模型、建模方法和研究現(xiàn)狀，并對(duì)不同工況下光伏電池的建模做了界定。總結(jié)了光伏電池模型未知參數(shù)的提取方法，分析了極限工況下的功率損失，介紹了光伏電池的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)光伏電池建模的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

光伏電池；建模；理想工況；參數(shù)提??；極限工況；動(dòng)態(tài)模型

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷興起和政府對(duì)光伏項(xiàng)目的大力支持，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比重越來(lái)越大。對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)建模而言，其輸出特性對(duì)外部環(huán)境敏感，建立準(zhǔn)確而適用范圍廣的光伏電池模型是光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析及預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)、前提和核心。同時(shí)，光伏系統(tǒng)工作的特殊要求對(duì)光伏電池的精確建模提出了挑戰(zhàn)，表現(xiàn)在：系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，以太陽(yáng)能作為重要能量來(lái)源，以優(yōu)化光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，追蹤最大功率點(diǎn)等方式提高太陽(yáng)能的利用率，獲得較高的功率密度，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，這對(duì)建模的準(zhǔn)確性提出了更高的要求；系統(tǒng)的可靠性要求，工作在戶外的光伏發(fā)電系統(tǒng)由于遮光等不利工況使太陽(yáng)輻射不均勻，導(dǎo)致部分光伏組件的非正常工作，由于灰塵等雜物覆蓋導(dǎo)致光伏發(fā)電的功率損失，這對(duì)系統(tǒng)的可靠性和建模的難度提出了更高的要求；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、控制器和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，各部分之間因級(jí)聯(lián)關(guān)系構(gòu)成級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，需要充分考慮整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，這對(duì)建模的全面性提出了更高的要求。

對(duì)此，許多學(xué)者在光伏電池建模方面做了大量工作并取得了顯著成果。A.Mellit等討論了人工智能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[1]；劉東冉等總結(jié)了光伏發(fā)電系統(tǒng)模型[2]。文獻(xiàn)中光伏電池的建模方法繁雜，然而，很少有文獻(xiàn)對(duì)光伏電池模型進(jìn)行詳細(xì)整理和歸納，本文對(duì)光伏電池的建模做了全面綜述：概述了光伏電池的物理模型，分別在理想工況和極限工況下，以單指數(shù)模型為例，對(duì)光伏電池的工程模型、精確模型、參數(shù)提取方法、考慮遮光、積灰、冰雪覆蓋因素的模型以及動(dòng)態(tài)模型做了逐一介紹，并對(duì)后續(xù)光伏電池模型的研究做了展望。

1 模型概述

利用光生伏特效應(yīng)制成的光伏電池，p-n結(jié)是其工作原理的核心，即每個(gè)光伏電池單元的外特性模型主要部分為一只正向二極管與一個(gè)恒流源的并聯(lián)回路(圖1)，該模型稱為光伏電池的理想模型，其I-V特性可以用式(1)～式(2)表示。

若考慮光伏電池的體電阻、電極導(dǎo)體電阻、p-n結(jié)擴(kuò)散層橫向電阻等因素，將其等效為光伏電池內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻()，數(shù)學(xué)模型(圖2)對(duì)應(yīng)式(3)，其中，包含四個(gè)未知參數(shù)，稱為四參數(shù)模型[3]。再次考慮光伏電池表面污濁和P-N結(jié)與光伏電池邊緣的泄露電阻，將其等效為光伏電池內(nèi)部的等效旁路電阻()，數(shù)學(xué)模型(圖3)對(duì)應(yīng)式(4)。

圖1 光伏電池的三參數(shù)模型

圖2 光伏電池的四參數(shù)模型

圖3 光伏電池的五參數(shù)單指數(shù)模型

圖3模型稱為單指數(shù)模型，兼顧了模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和模型的精度，是光伏電池最常用的模型。有時(shí)為了更精確地反映光伏電池的非線性特性，把模型看作是一對(duì)正向二極管并聯(lián)于一個(gè)恒流源，即雙指數(shù)模型(圖4)，可以表示為：

圖4 光伏電池的七參數(shù)雙指數(shù)模型

圖5 光伏組件的示意圖

2 理想工況下光伏電池的建模

假設(shè)光伏陣列中光伏電池的規(guī)格一致，每塊光伏電池極板表面溫度相等且接收到的太陽(yáng)輻射相同，稱為理想工況。

2.1 工程簡(jiǎn)化模型

由于基于光伏電池理論建立的物理模型復(fù)雜，包括多個(gè)未知參數(shù)，這些未知參數(shù)在實(shí)際工況中難以獲得從而限制了在工程方面的應(yīng)用。在工程上，利用光伏生產(chǎn)商提供的基于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境下的技術(shù)參數(shù)建立數(shù)學(xué)工程模型，其過(guò)程為：并聯(lián)電阻的阻值較大，假設(shè)并聯(lián)電阻，模型變?yōu)樗膮?shù)模型；忽略光伏電池等效電路輸出短路時(shí)流過(guò)二極管反向漏電流，則可以近似為：會(huì)隨著輻照度和溫度的變化而變化，因而對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

2.2 精確的物理模型

工程簡(jiǎn)化模型具有較強(qiáng)的通用性，但在較低輻照強(qiáng)度條件下會(huì)產(chǎn)生較大的模型預(yù)測(cè)誤差。為了克服建模精度低的缺陷，許多光伏機(jī)構(gòu)，如桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)，佛羅里達(dá)太陽(yáng)能中心(FSNC)，國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)等做了大量實(shí)驗(yàn)，確定了較精確的光伏電池模型，包括SANDIA光伏陣列模型(SNL)，PVWatts(NREL)以及5參數(shù)光伏陣列模型(SEL)等。

2.3 物理模型的參數(shù)提取方法

串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和理想因子的參數(shù)提取方法繁雜：許多文獻(xiàn)提出和與溫度或輻照強(qiáng)度有關(guān)。首先，串聯(lián)電阻隨溫度的上升而增加，與輻照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成反比[5]，Schroder認(rèn)為并聯(lián)電阻近似與短路電流(成)反比[6]。與此同時(shí)，許多學(xué)者提出了更多的串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和理想因子的參數(shù)提取方法，包括解析方法、數(shù)值方法、統(tǒng)計(jì)方法、先進(jìn)智能算法等其他方法。目前，有六種流行的參數(shù)提取方法：微商法、Ishibashi-Kimura法、Lambert W函數(shù)法、Bouzidi-Cheggaar法、Nehaoua法和Ortiz-Conde法[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)智能控制理論被引入進(jìn)行模型的參數(shù)辨識(shí)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]、模糊控制、遺傳算法[9]、進(jìn)化算法[10]等。

3 極限工況下光伏電池的建模

上述建模方法是以理想工況為前提實(shí)現(xiàn)的，然而在實(shí)際情況中，光伏電池/陣列工作在某些極限工況下，如部分遮光、灰塵、冰雪覆蓋、負(fù)載(光照)突變等，極大影響光伏電池的輸出特性。

3.1 考慮部分遮光的光伏電池模型

由于烏云、建筑物等的遮擋，光伏電池工作在光照非均勻工況下影響其它光伏組件的正常工作和光伏陣列的輸出特性，集中體現(xiàn)在兩方面。

(1)影響光伏組件的壽命。當(dāng)光伏電池的部分陰影達(dá)到一定程度時(shí)，導(dǎo)致流過(guò)電池單體的電流大于光生電流，使得光伏電池單體工作在第二象限形成熱斑，不可逆轉(zhuǎn)地破壞光伏組件[11]，把這種現(xiàn)象稱為雪崩擊穿，因而在建模過(guò)程中需要考慮雪崩擊穿電壓，根據(jù)光伏電池模型的等效電路(圖6)推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型[11]。

圖6 考慮雪崩擊穿的光伏電池的等效電路

為了提高光伏組件在遮陰工況下的可靠度，在每個(gè)光伏組件中并聯(lián)一個(gè)旁路二極管。對(duì)于光伏陣列中每一個(gè)由光伏電池串聯(lián)而成的并聯(lián)支路而言，為了避免其他支路的電流流向非正常狀態(tài)的支路而降低光伏陣列的輸出功率，在每個(gè)支路末端串聯(lián)一個(gè)阻塞二極管。一些學(xué)者考慮了旁路二極管和阻塞二極管的影響，基于示意圖(圖7)和等效電路圖(圖8)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[12]。

圖7 光伏陣列的示意圖

圖8 光伏陣列的等效電路圖

(2)全局峰值功率的降低。由于遮光的影響，光伏陣列的輸出呈現(xiàn)多峰/多階梯特性，降低了全局峰值功率，同時(shí)增加了MPPT追蹤的難度，對(duì)此，部分學(xué)者對(duì)遮陰條件下光伏陣列的功率損失做了定量估算，King等提出了一種計(jì)算機(jī)仿真模型[13]，Martnez-Moreno等提出了基于實(shí)驗(yàn)的模型[14]，Deline等提出了解析模型[15]。

3.2 考慮灰塵、冰雪覆蓋因素的影響

對(duì)于工作在戶外的光伏組件/陣列，空氣中的灰塵沉積會(huì)降低光伏發(fā)電的效率，表現(xiàn)在灰塵的遮擋效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和溫度效應(yīng)[16]。由于腐蝕效應(yīng)和溫度效應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電的影響相對(duì)較小，灰塵的遮擋效應(yīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)：Elminir等對(duì)El-Shobokshy的理論進(jìn)行擴(kuò)展，即同時(shí)考慮了光伏電池安裝的傾斜角度和太陽(yáng)光照強(qiáng)度[17]；Goossens研究了風(fēng)速和粉塵沉積對(duì)光伏系統(tǒng)的聯(lián)合作用[18]；Hegazy等研究了積灰對(duì)光伏組件表面透光率的影響[19]；由于積灰引起光伏系統(tǒng)的功率損失，故Kimber提出了一種新的預(yù)測(cè)光伏系統(tǒng)功率損失的預(yù)測(cè)模型[20]；考慮到濕度和風(fēng)速對(duì)積灰效應(yīng)的影響，Mekhilef等分別分析了濕度、風(fēng)速和積灰三者以耦合的方式影響光伏系統(tǒng)的效率[21]。

冰雪覆蓋同樣影響光伏系統(tǒng)的效率。因此部分學(xué)者 (如Wirth[22]，Andrews[23]等)基于某一區(qū)域的氣象觀測(cè)值，建立了冰雪覆蓋條件下光伏系統(tǒng)的功率損失模型。

3.3 考慮光照、負(fù)載突變的光伏電池模型

以上模型的建立是基于輻照強(qiáng)度和負(fù)載變化緩慢的假設(shè)(即靜態(tài)模型)的基礎(chǔ)之上，然而，在實(shí)際工況中太陽(yáng)電池的輸出特性因受高頻變化的擾動(dòng)等外界環(huán)境變化的影響，包括光照突變時(shí)對(duì)光生電流的影響和負(fù)載突變時(shí)對(duì)光伏電池暗電流的影響。為了能夠精確地反映光伏電池的瞬態(tài)響應(yīng)特性，提高光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建立了光伏電池的動(dòng)態(tài)模型，如圖9所示。

圖9 光伏電池的動(dòng)態(tài)模型

部分學(xué)者研究了結(jié)電容對(duì)光伏電池輸出特性的影響，秦嶺等建立了完整的光伏電池動(dòng)態(tài)模型，并分析了其動(dòng)態(tài)特性[24]；Maria等對(duì)光伏電池動(dòng)態(tài)模型中的未知參數(shù)進(jìn)行了提取[25]。

4 結(jié)論

基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的通用性、準(zhǔn)確性、快速性、可靠性和穩(wěn)定性等方面分別對(duì)光伏電池的建模做了詳細(xì)介紹。在建立模型的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步在以下幾方面進(jìn)行深入研究：光伏電池的建模方法繁雜多樣，具有一定的通用性，但因地域、氣候環(huán)境、光伏系統(tǒng)的配置及能量需求等方面的差異，建立包含地域、氣象等詳細(xì)參數(shù)的完整數(shù)據(jù)庫(kù)并在特定環(huán)境下合理地選取光伏電池的模型顯得尤為重要；人工智能技術(shù)運(yùn)用于光伏系統(tǒng)建模減少了對(duì)氣象數(shù)據(jù)的依賴，但因每種算法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以多種算法的融合提高了建模精度和效率；光伏陣列在部分遮光條件下的輸出特性呈現(xiàn)為多階梯/多峰特性，所以在部分遮光的環(huán)境下建立精確、快速的MPPT算法成為今后研究的一個(gè)重要方向；濕度、積灰和風(fēng)速三者以耦合方式影響光伏系統(tǒng)的效率，建立一個(gè)同時(shí)考慮濕度、積灰和風(fēng)速因素的光伏系統(tǒng)功率損失的精確模型成為今后又一個(gè)重要的研究方向。

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Review of photovoltaic cells modelling

In order to conduct theoretical analysis and practice verification of photovoltaic power generation system，the accurate model of photovoltaic cell should be established at first. Based on the research achievement of photovoltaic cell model at home and abroad，the background，aim and significance of the research were discussed. The model overview， modeling approaches and research status of photovoltaic cells were summarized， and the basic definition of photovoltaic cell modelling was given according to different operating conditions.The extraction methods of unknown parameter were summarized，the power loss under extreme working conditions was analyzed，and the dynamic models of photovoltaic cell were introduced.The modelling development direction of photovoltaic cell was expected.

photovoltaic cells;modeling;ideal conditions;parameter extraction;limit conditions;dynamic model

TM 615

A

1002-087 X(2016)04-0927-04

2015-09-26

張純杰(1989—)，男，甘肅省人，碩士，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模。