光伏組件熱斑電池片功率損耗的簡(jiǎn)化算法研究

翁 捷，劉 恒，張志祥，馬銘遙，云 平

（1.陽(yáng)光電源股份有限公司，合肥230088；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥230009）

世界范圍內(nèi)可再生能源大量開發(fā)和利用是清潔能源發(fā)展的趨勢(shì)，全球光伏累積裝機(jī)總量從2008年的15 GW增長(zhǎng)到2018年的505 GW。然而隨著光伏發(fā)電裝機(jī)的快速增長(zhǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)維問(wèn)題日益突出，特別是光伏組件的長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致其缺陷和故障逐漸出現(xiàn)。封裝老化、背板開裂、電位誘導(dǎo)衰減PID（potential induced degradation）、電池老化和熱斑等[1-3]是光伏組件的主要故障類型，其中熱斑故障發(fā)生的概率最高，對(duì)組件危害也最嚴(yán)重。

熱斑故障發(fā)生后的運(yùn)維處理取決于光伏組件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境對(duì)其可靠性的要求。如何評(píng)價(jià)熱斑故障的危害程度，大量文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]提出光伏組件熱斑故障的危害程度與其熱斑電池片的反偏漏電流大小呈正相關(guān)性，即反偏漏電流越大，熱斑電池片發(fā)熱越嚴(yán)重，但反偏漏電流與實(shí)際影響熱斑電池片發(fā)熱的工作電流存在差異，因此該結(jié)論不具有普遍性；文獻(xiàn)[5]研究發(fā)現(xiàn)熱斑電池片的漏電流密度也會(huì)對(duì)熱斑發(fā)熱產(chǎn)生影響[5]，即熱斑電池片并不是均勻發(fā)熱的，局部漏電流密度越大則發(fā)熱越嚴(yán)重，但尚未討論最嚴(yán)重的熱斑情況的具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[6]分析了不同發(fā)熱熱斑電池片對(duì)光伏組件功率下降的影響，認(rèn)為相較于正常電池片溫差大于20℃時(shí)可判定為嚴(yán)重?zé)岚?，小?0℃時(shí)可以忽略其影響[6]，但是對(duì)溫度的獲取需要采用紅外IR（infrared）成像手段，對(duì)于快速評(píng)價(jià)大規(guī)模光伏電站所有光伏組件的熱斑故障嚴(yán)重性，IR的成像精度很難滿足要求。

綜上所述，熱斑故障的危害程度與其發(fā)熱程度相關(guān)，而熱斑電池片的發(fā)熱主要來(lái)源于其故障態(tài)下的功率損耗。本文提出了一種簡(jiǎn)化的熱斑電池片功率損耗計(jì)算方法，根據(jù)光伏組件實(shí)際工作狀態(tài)并結(jié)合I-V曲線即可快速準(zhǔn)確計(jì)算出熱斑電池片的功率損耗。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文所提方法的準(zhǔn)確性。

1 光伏組件熱斑故障判定

1.1 熱斑故障機(jī)理分析

為了減少熱斑故障的危害性，光伏組件大多采取如圖1所示的硬件連接結(jié)構(gòu)[7-9]，每個(gè)組件有3個(gè)子串，其中每個(gè)子串有20個(gè)電池片串聯(lián)，外部再并聯(lián)1個(gè)旁路二極管，3個(gè)旁路二極管及輸入輸出接線集中在一個(gè)接線盒內(nèi)。

光伏電池片串聯(lián)失配示意如圖2所示。光伏組件正常工作狀態(tài)下，每個(gè)電池片都工作在I-V曲線的第1象限，電流電壓乘積為正而表現(xiàn)為功率輸出單元。當(dāng)某個(gè)電池片由于表面陰影遮擋或內(nèi)部缺陷導(dǎo)致其發(fā)電量下降，會(huì)使得短路電流降低，而與其串聯(lián)的正常電池片的短路電流相對(duì)較高，因此在相同的工作電流Imppt下該電池片將工作在I-V曲線第2象限，此時(shí)該電池片承受反偏電壓，電流電壓乘積為負(fù)表現(xiàn)為功率消耗單元，產(chǎn)生一定的熱量，這就是熱斑故障，一般稱該電池片為失配電池或熱斑電池[10-11]。

1.2 熱斑組件I-V曲線特征

光伏組件的I-V曲線是由每個(gè)電池片的I-V曲線復(fù)合而成，當(dāng)組件工作在某一電流下時(shí)，其工作電壓即為各電池片在此工作電流下的端電壓之和。當(dāng)一個(gè)子串中某電池片處于失配狀態(tài)而工作在第2象限時(shí)，設(shè)其此時(shí)端電壓為Ur，值為負(fù)；同子串的其他正常電池片端電壓為Un，值為正；旁路二極管完全導(dǎo)通時(shí)管壓降為Ud，一般取0.7 V；當(dāng)該子串的端電壓滿足旁路二極管完全正向?qū)l件，即

時(shí)，該子串被二極管旁路，與該二極管并聯(lián)的子串端電壓將被鉗位到0.7 V[12]。

熱斑組件I-V曲線特征分析如圖3所示，圖中，Isc為正常電池片短路電流（A），為失配電池片短路電流（A），Isc為正常電池片短路電流（A），Urc為二極管導(dǎo)通時(shí)失配電池片的臨界反偏電壓（V），Uoci為電池片開路電壓（V），Uoc為光伏組件開路電壓（V）。當(dāng)有熱斑故障的組件工作電流在區(qū)間1時(shí)，顯然式（1）滿足，由于一個(gè)子串被二極管短路，此時(shí)組件端電壓將拉低到正常組件端電壓的2/3（忽略二極管管壓降電壓0.7 V）。當(dāng)工作電流在區(qū)間2時(shí)，式（1）不再滿足，二極管關(guān)斷，但此時(shí)失配電池仍然工作在第2象限，消耗功率而發(fā)熱。隨著工作電流下降，Ur的絕對(duì)值不斷減小，組件端電壓將不斷增大。當(dāng)工作電流在區(qū)間3時(shí)，失配電池不再呈現(xiàn)反偏特性，和其他正常電池片一樣作為功率輸出單元，在此區(qū)間熱斑故障對(duì)光伏組件不再有危害。

2 熱斑電池片功率損耗簡(jiǎn)化計(jì)算

2.1 光伏電池片單二極管模型

光伏電池片可以等效成多種電路模型，本文采用最普遍使用的單二極管模型[13]，如圖4所示。圖中：I為光伏電池片輸出電流（A）；U為光伏電池片端電壓（V）；Iph為光伏電池片光生電流（A）；ID為二極管反向飽和電流（A）；Rs為光伏電池片串聯(lián)電阻（Ω）；Rsh為光伏電池片并聯(lián)電阻（Ω）。

2.2 熱斑電池片負(fù)載模型

當(dāng)光伏電池片處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，影響其發(fā)熱的因素主要包括在太陽(yáng)輻射下光電反應(yīng)釋放的熱量和Rs與輸出電流焦耳熱效應(yīng)產(chǎn)生的功率損耗，分別記為PG和PR。當(dāng)光伏電池片處于失配狀態(tài)時(shí)，其工作在反偏電壓下，熱斑電池片負(fù)載模型如圖5所示，此時(shí)光伏電池片將作為負(fù)載單元，輸入電流I即為流過(guò)的工作電流，除了Rs帶來(lái)的功率損耗外，光伏電池片的反偏漏電流Ish會(huì)在并聯(lián)電阻Rsh處產(chǎn)生大量的功率損耗。此外，光生電流可等效成一個(gè)恒流源，此時(shí)加在其兩端的電壓為Uph，關(guān)聯(lián)方向相反，因此也將消耗功率，記為Pph。則有

相較于正常太陽(yáng)電池片，失配電池片的PG沒(méi)有差別，因此只需考慮額外的PR與Pph之和用來(lái)評(píng)價(jià)其發(fā)熱嚴(yán)重性，記為Phot。則有

因?yàn)镮D遠(yuǎn)小于Iph和I，則可忽略不計(jì)[14]，結(jié)合式（4）～式（6）可進(jìn)一步化簡(jiǎn)，得

熱斑光伏組件的工作狀態(tài)將影響Ur、I的具體取值，通過(guò)確定其工作電流與I-V曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到Ur、I，進(jìn)而計(jì)算熱斑電池片的Phot。

3 功率損耗簡(jiǎn)化算法具體參數(shù)確定

3.1 光伏組件工作狀態(tài)

根據(jù)光伏電站規(guī)模和并網(wǎng)電壓等級(jí)不同，光伏組件與逆變器的連接方式有一定的差異。但為了減少電力變換設(shè)備成本，一般需要將數(shù)個(gè)光伏組件串聯(lián)，構(gòu)成光伏組串，再通過(guò)匯流并聯(lián)到集中逆變器，光伏組件常見并網(wǎng)方式如圖6所示。因此在1個(gè)光伏組串內(nèi)，每個(gè)組件的工作電流一致，該電流由并網(wǎng)逆變器控制，根據(jù)組串的I-V輸出特性使其工作在最大功率點(diǎn)處。但是由于相互串聯(lián)的光伏組件因不同的故障類型（如PID、熱斑故障等）而導(dǎo)致彼此I-V曲線的差異，每個(gè)組件并不一定工作在最大功率點(diǎn)處，光伏組串與光伏組件工作狀態(tài)關(guān)系如圖7所示。且每個(gè)光伏組件的I-V特性變化都會(huì)引起組串I-V特性的改變，進(jìn)而改變Imppt的大小。

3.2 不同工作電流下參數(shù)Ur、I的確定

當(dāng)工作電流在熱斑組件I-V曲線區(qū)間1時(shí)，此時(shí)與熱斑電池片所在子串并聯(lián)的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，且正常電池片的端電壓可以認(rèn)為是恒定不變的，近似等于Uoci，因此無(wú)論工作電流多大，熱斑電池所承受的反偏電壓將維持在Urc，流經(jīng)其的電流為此電壓在第2象限I-V曲線上對(duì)應(yīng)的電流，記為Irc，多余的電流從二極管分流[15]。

此時(shí)Phot可計(jì)算為

當(dāng)工作電流在熱斑組件I-V曲線區(qū)間2時(shí)，此時(shí)由于熱斑電池反偏電壓不足以滿足式（1），二極管不再旁路熱斑電池片所在子串，因此流經(jīng)熱斑電池片的電流即為光伏組件的工作電流，其所承受反偏電壓隨著工作電流下降而減小，記為Ur2。由于正常電池片的端電壓在此電流區(qū)間內(nèi)可認(rèn)為近似不變[16]，因此Ur2可通過(guò)光伏組件的I-V曲線近似計(jì)算出來(lái)。熱斑組件各工作狀態(tài)下參數(shù)計(jì)算如圖8所示，首先記此時(shí)工作電流為I2,得到I2與光伏組件IV曲線交點(diǎn)處的電壓值U2及I-V曲線在二極管臨界開關(guān)動(dòng)作處的拐點(diǎn)電壓Udc，則顯然有

當(dāng)工作電流在熱斑組件I-V曲線區(qū)間3時(shí)，熱斑電池片工作在自身I-V曲線的第1象限，不再存在反偏電壓，Ur為0，因此Phot等于0。

3.3 熱斑電池功率損耗計(jì)算實(shí)現(xiàn)流程

首先，檢測(cè)獲取組串當(dāng)前工作電流I；然后通過(guò)I-V掃描獲得每個(gè)光伏組件的I-V曲線，通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理判斷該光伏組件是否存在熱斑故障；針對(duì)有熱斑故障特征的I-V曲線，提取其曲線特征拐點(diǎn)P1和P2；通過(guò)比較I與P1和P2處電流的大小關(guān)系判斷工作電流所處區(qū)間，進(jìn)而利用第3.2節(jié)所示的各工作狀態(tài)下參數(shù)確定方法確定各參數(shù)并計(jì)算Phot。具體實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)本文提出的簡(jiǎn)化功率損耗計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，將進(jìn)行熱斑故障光伏組件中熱斑電池片的實(shí)際溫度與通過(guò)本文所提方法計(jì)算的功率損耗仿真得到的熱斑電池片溫度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在位于陽(yáng)光電源廠區(qū)的5 MW光伏電站中選擇1個(gè)光伏組串進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該組串由24塊光伏組件串接而成，其中有1個(gè)光伏組件有熱斑故障（通過(guò)紅外成像確定），記為組件A。該組串通過(guò)逆變器SG5K-D接入電網(wǎng)，通過(guò)上位機(jī)可以從逆變器中讀取該組串實(shí)時(shí)工作電流。該光伏電站配有獨(dú)立的氣象站，可以監(jiān)控全天的氣象信息。

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在組件A的熱斑電池片背板處布上熱電偶以實(shí)時(shí)獲取其溫度，為了防止熱斑電池發(fā)熱不均勻?qū)е碌臏y(cè)試誤差，等距從電池片中央到邊緣安裝3個(gè)熱電偶。通過(guò)溫度采集卡得到3個(gè)溫度值，取其平均值為熱斑電池片溫度，記為Thot。

在晴朗天氣選擇1個(gè)輻照穩(wěn)定、風(fēng)速穩(wěn)定的時(shí)間段，先記錄組串工作電流和Thot，然后斷開熱斑光伏組件迅速掃描其I-V曲線；再連接好該組件，通過(guò)對(duì)同組串內(nèi)其他光伏組件做不同程度的遮擋以改變組串I-V曲線的最大功率點(diǎn)，記錄此時(shí)組串工作電流和重新穩(wěn)定下來(lái)的Thot，由于風(fēng)速波動(dòng)的影響溫度很難短時(shí)間穩(wěn)定在某一值，因此Thot將記錄短時(shí)間內(nèi)浮動(dòng)不大的區(qū)間值。為了保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的普適性，在不同輻照度下重復(fù)上述步驟，采集10組數(shù)據(jù)。

4.2 仿真驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)所使用的是單晶硅光伏組件，電池片規(guī)格為156 mm×156 mm×0.2 mm，封裝采用典型的雙面EVA加前玻璃表面和PET背板結(jié)構(gòu)。據(jù)此搭建ANSYS熱仿真模型，仿真基本參數(shù)如表1所示。

表1 熱仿真模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of thermal simulation model

將實(shí)驗(yàn)采集到的10組數(shù)據(jù)分別與各組I-V曲線比較，根據(jù)對(duì)應(yīng)的功率損耗計(jì)算公式計(jì)算Phot，同時(shí)將記錄氣象站監(jiān)測(cè)到的每組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的風(fēng)速和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)ANSYS仿真軟件得到各工作狀態(tài)下的仿真溫度，記為Ts。Ts與Thot的對(duì)比結(jié)果如表2所示。將Phot、Thot、Ts生成折線圖，如圖10所示?？梢钥闯?，熱仿真輸出溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度隨功率損耗增大而增大的趨勢(shì)基本一致，仿真溫度曲線基本落在實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度曲線范圍之內(nèi)，但仍然有些許誤差。誤差的原因主要是由人為讀取波動(dòng)Thot造成的輸入誤差。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between experimental and simulation results

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了熱斑故障機(jī)理及有熱斑故障組件的I-V曲線特征，結(jié)合單二極管等效電路模型提出一種簡(jiǎn)化的熱斑電池片功率損耗計(jì)算方法。分析了光伏組件的工作狀態(tài)，結(jié)合熱斑組件的I-V曲線與工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可快速求解熱斑電池片的功率損耗。最后對(duì)比了熱斑電池的實(shí)測(cè)溫度與根據(jù)所計(jì)算功率損耗仿真得到的溫度，對(duì)比結(jié)果表明本文所提出的熱斑電池片簡(jiǎn)化功率損耗計(jì)算方法具有一定的準(zhǔn)確性。熱斑電池片的功率損耗可以作為評(píng)估光伏組件熱斑故障嚴(yán)重性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，快速準(zhǔn)確地計(jì)算出該損耗有很重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)楣夥娬具\(yùn)維及處理熱斑故障提供新的思路。