光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真建模與光伏遮擋發(fā)電效率分析

劉嬌嬌

(上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 閔行 201100)

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電正面向全球化、商業(yè)化的大規(guī)模應(yīng)用，特別是2022年隨著政府補(bǔ)貼力度的加大，光伏產(chǎn)業(yè)可能會(huì)迎來(lái)大發(fā)展階段，在農(nóng)村，利用屋頂、陽(yáng)臺(tái)等區(qū)域搭建的小型的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸增多。然而由于氣象環(huán)境對(duì)光伏電池電力輸出的影響較大，在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電系統(tǒng)過(guò)程中，對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，光伏發(fā)電系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確度對(duì)于系統(tǒng)的可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性十分必要。

1 光伏模型參數(shù)

1.1 參數(shù)分析

光伏電池單二極管等效電路模型的輸出伏安特性為：

式中：V為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；IRs為光生電流源電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量1.602×10-19C；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.831×10-23J/K；T為光伏電池工作絕對(duì)溫度值；A為二極管特性擬合系數(shù)；Rs為光伏電池串聯(lián)電阻；Rsh為光伏電池的并聯(lián)電阻[2]。

光生電流Iph是光照強(qiáng)度和電池溫度的函數(shù)，可以表示成：

式中：S為實(shí)際輻照度（W/m2）；Sref為標(biāo)準(zhǔn)條件下輻照度；Tref為標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏電池工作絕對(duì)溫度；CT為溫度系數(shù)，A/K；Iphref為標(biāo)準(zhǔn)條件下光生電流值[3]。

二極管飽和電流隨著電池溫度的變化而變化，滿足關(guān)系式：

式中：Isref為標(biāo)況下二極管飽和電流；Eg為禁帶寬度，與光伏電池材料有關(guān)[4]，計(jì)算公式分別為：

式中：ISCref為光伏的參考短路電流；VOCref為光伏的參考開(kāi)路電壓；VT=mKT/q。

由于單個(gè)光伏電池的輸出功率較小，為此將光伏電池串、并聯(lián)可構(gòu)成光伏模塊[4]，其輸出電壓可提高到十幾至幾十V；光伏模塊又可經(jīng)串、并聯(lián)后得到光伏陣列，以獲得更大的輸出功率。當(dāng)光伏模塊通過(guò)串、并聯(lián)組成光伏陣列時(shí)，通常認(rèn)為串并聯(lián)在一起的光伏模塊具有相同的特征參數(shù)[4]，與單二極管等效電路圖對(duì)應(yīng)的光伏陣列等效電路如圖1所示。

圖1 單二極管模型光伏陣列的等效電路

圖1給出的等效電路的輸出電壓和電流的關(guān)系如式6所示，其中Ns和Np分別為串聯(lián)和并聯(lián)的光伏電池的個(gè)數(shù)。

由上面的公式可知，光伏陣列的輸出電壓和輸出電流具有非線性關(guān)系，并且隨光照和溫度的變化而變化[4]。后文所搭建的光伏電池模型，均基于上述公式，單晶與多晶光伏的不同主要體現(xiàn)在串并聯(lián)數(shù)上。

2 仿真模型

在實(shí)際建模過(guò)程中，在光伏等效電路公式（1）～（6）的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)兩點(diǎn)近似作相應(yīng)的模型簡(jiǎn)化：

設(shè)定，這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮鑋5]。

忽略并聯(lián)內(nèi)阻Rsh，這是因?yàn)樵趯?shí)際的光伏等效電路中該電阻相對(duì)于其他等效的其他電阻阻值要大很多，因此近似該支路是斷路的，實(shí)際的建模過(guò)程中這個(gè)電阻可以被忽略掉，對(duì)最終的光伏模型是沒(méi)有影響的。

由于本文中單晶硅光伏采用通用二極管等效電路模型，下文是單晶硅光伏電池的仿真模型。單晶硅光伏采用19組串聯(lián)，7組并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，模型采用單二極管模型光伏陣列的等效電路，根據(jù)公式（1）～（6）作以上兩點(diǎn)簡(jiǎn)化之后可知，可將光伏等效電路等效為兩個(gè)方向相反的可控電流源并聯(lián)組成電源系統(tǒng)：

基于Simulink搭建的光伏電池模型如圖2所示。

圖2 光伏電池模型

針對(duì)上海電氣中央研究院微電網(wǎng)示范工程中的單晶硅光伏和多晶硅光伏，本文均采用單二極管等效電路模型進(jìn)行建模，根據(jù)公式（1）～（6）可知，光伏等效電路數(shù)學(xué)模型中有許多須要整定的參數(shù)，以下是根據(jù)所給的光伏組件參數(shù)以及研究院實(shí)際測(cè)試情況所整定出的搭建單晶硅、多晶硅光伏模型時(shí)所須的各種光伏的建模參數(shù)如表1所示。

表1 光伏模塊參數(shù)

3 仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)中央院屋頂實(shí)際的環(huán)境情況，做出了實(shí)際光伏運(yùn)行曲線，并將仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。報(bào)告選取了2021年8月5號(hào)的運(yùn)行記錄，選取時(shí)間為9:00—16:00，共7 h。每隔10 min記錄一組當(dāng)前光照、溫度、光伏輸出電壓、光伏輸出電流的數(shù)據(jù)，從而繪制出輸出電流隨照度和溫度變化曲線，輸出電壓隨溫度和照度變化的曲線等，用以對(duì)比分析。

圖3中，黑色粗線為模型仿真后的光伏電壓和電流數(shù)據(jù)，藍(lán)色細(xì)實(shí)線為光伏電池實(shí)際輸出的電壓和電流數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，10:30—16:00，仿真模型和光伏電池實(shí)際輸出的電壓和電流數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，重合率達(dá)到95%以上。9:30—10:30仿真模型和實(shí)際輸出數(shù)據(jù)差距稍大，分析原因主要是在這個(gè)時(shí)間段，部分光伏電池收到了遮擋，由于環(huán)境測(cè)量?jī)x處采集的數(shù)據(jù)是局部的輻照數(shù)據(jù)，因此在部分光伏電池收到遮擋時(shí)，仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)有一定差距，下面章節(jié)分析光伏遮擋影響實(shí)驗(yàn)分析。

圖3 仿真與實(shí)際電壓和電流對(duì)比圖

4 光伏遮擋影響實(shí)驗(yàn)分析

光伏板遮擋對(duì)光伏陣列輸出功率影響很大。在2022年3月25日13:30，光照強(qiáng)度較高，對(duì)上海電氣中央研究院微電網(wǎng)示范工程中的樓屋頂光伏板進(jìn)行了遮擋實(shí)驗(yàn)。

4.1 光伏遮擋情況分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先記錄沒(méi)有任何遮擋時(shí)的光伏板輸出功率；遮擋住一塊單晶光伏板，記錄單晶光伏陣列發(fā)電功率；遮擋住同一個(gè)陣列的兩塊單晶光伏板，記錄單晶光伏陣列發(fā)電功率；依次遮擋住3塊、4塊、5塊光伏板，記錄單晶光伏陣列發(fā)電功率；遮住兩個(gè)不同單晶光伏陣列各一塊光伏板，記錄單晶光伏陣列發(fā)電功率；對(duì)光伏板進(jìn)行清洗，記錄清洗后的光伏輸出功率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 分別遮擋1～5塊光伏板時(shí)單晶光伏輸出功率

圖5 兩個(gè)光伏陣列各遮擋1塊光伏板功率變化

以上光伏實(shí)驗(yàn)分析時(shí)有幾點(diǎn)說(shuō)明：由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，太陽(yáng)照射角度在不停變化，因而隨著時(shí)間的推移，發(fā)電功率是逐漸降低的。通常在10 min內(nèi)光伏發(fā)電功率不變，采用變化功率與原發(fā)電功率比例進(jìn)行分析。

根據(jù)圖4分析，沒(méi)有遮擋時(shí)發(fā)電功率為19 kW，遮擋一塊后，光伏輸出功率變?yōu)?8.5 kW；遮擋兩塊后，輸出功率變?yōu)?7.8 kW；由于遮擋3、4塊過(guò)程中，功率跳動(dòng)較大；當(dāng)遮擋5塊光伏板后，單晶光伏陣列輸出功率為17 kW。由于遮擋的均為同一個(gè)光伏陣列，因而可以認(rèn)為其他光伏陣列的輸出功率不變，遮擋工況會(huì)單獨(dú)影響這一列光伏輸出功率。中央研究院光伏發(fā)電共有7個(gè)串聯(lián)陣列，每個(gè)光伏陣列有19塊光伏板，因而可以近似認(rèn)為每一個(gè)串聯(lián)陣列的輸出功率為2.714 kW。遮擋一塊時(shí)，輸出功率減少0.5 kW，整個(gè)光伏串聯(lián)陣列輸出功率降至81.56%；遮擋兩塊時(shí)，輸出功率減少1.2 kW，輸出功率降低至55.78%；遮擋5塊光伏板時(shí)，輸出功率減少2 kW，輸出功率降低至26.31%。因而可以看出，光伏板遮擋住10%（一共19塊串聯(lián)，遮住兩塊），輸出功率僅為當(dāng)前無(wú)遮擋時(shí)的55%，幾乎降低了一半，當(dāng)遮擋住25%時(shí)，輸出功率也僅為無(wú)遮擋時(shí)的26%，因而光伏遮擋對(duì)串聯(lián)光伏陣列的影響很大。

根據(jù)圖5分析，當(dāng)兩個(gè)陣列各遮擋住一塊光伏板后，輸出功率降低了1 kW，可以近似認(rèn)為每一個(gè)光伏陣列輸出減少了0.5 kW，總損失功率為二者相加，與圖9的分析結(jié)果相吻合。因此，遮擋情況按被遮擋光伏板所在的串聯(lián)光伏陣列分析，然后將各串聯(lián)陣列遮擋情況相加，得到所有光伏發(fā)電的遮擋影響。

5 仿真模型修正

5.1 仿真參數(shù)影響分析

影響光伏輸出的主要模型參數(shù)有3個(gè)：光伏組件的短路電流、開(kāi)路電壓和光伏組件的等效串聯(lián)電阻。這3個(gè)參數(shù)也是將單晶硅與多晶硅光伏模型區(qū)分開(kāi)來(lái)的重要參數(shù)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的仿真嘗試與參數(shù)修改，得到了開(kāi)路電壓、短路電流、串聯(lián)電阻這3個(gè)參數(shù)對(duì)光伏輸出功率、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電壓、最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出電流有影響。

當(dāng)光伏組件開(kāi)路電壓增大時(shí)，光伏輸出功率增大，最大功率對(duì)應(yīng)的電壓增大，對(duì)應(yīng)的電流不變；當(dāng)短路電流增大時(shí)，光伏輸出功率增大，對(duì)應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓降低，對(duì)應(yīng)的電流增加；等效串聯(lián)電阻增加時(shí)，光伏輸出功率不變，最大功率對(duì)應(yīng)的電壓降低，對(duì)應(yīng)的電流功率不變。從這個(gè)過(guò)程可以得到以下結(jié)論：最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值由光伏組件的短路電流決定；最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值主要由光伏組件的開(kāi)路電壓決定，同時(shí)受到短路電流和阻抗的影響；輸出功率受3個(gè)因素共同作用。

5.2 仿真模型參數(shù)修改

根據(jù)以上結(jié)論，可以對(duì)仿真中的光伏參數(shù)進(jìn)行修改，使其與實(shí)際發(fā)電情況更為接近。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，現(xiàn)在將單晶硅光伏仿真模型參數(shù)修改如表2所示。

表2 單晶光伏參數(shù)修改

修改參數(shù)，減小短路電流，使得最大功率降低；同時(shí)降低開(kāi)路電壓，進(jìn)一步降低最大功率。在降低輸出功率的同時(shí)，又須要保持輸出曲線的變化趨勢(shì)，因此輸出阻抗最好不變。參數(shù)修改后的輸出曲線與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)比較接近，輸出曲線如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 修改后的單晶光伏輸出功率

圖7 修改后的單晶光伏最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓

圖8 修改后的單晶光伏最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流

光伏仿真與實(shí)際工況須要對(duì)比最重要的量是輸出功率。從圖11可以看出，修改后的單晶硅光伏模型更接近仿真上海電氣中央研究院示范工程中實(shí)際的光伏實(shí)際輸出數(shù)據(jù)。

6 光伏封裝參數(shù)

6.1 光伏建模的關(guān)鍵參數(shù)

經(jīng)過(guò)本文的分析，決定光伏模塊封裝的變量有5個(gè)。Isc：光伏組件的短路電流；Voc：光伏組件開(kāi)路電壓；Rs：光伏組件的等效串聯(lián)電阻；Ns：光伏組件串聯(lián)數(shù)；Np：光伏組件并聯(lián)數(shù)。

根據(jù)上海電氣中央研究院微電網(wǎng)示范工程中的光伏參數(shù)，給出單晶硅參數(shù)值如表3所示。

表3 單晶光伏參數(shù)表

7 結(jié)束語(yǔ)

安裝的單晶光伏系統(tǒng)輸出功率不高，是多方面因素造成的。環(huán)境條件和光伏板遮擋是主要原因。上海地區(qū)的光照條件不如我國(guó)西北、東北等地區(qū)。從8月5日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，光照強(qiáng)度最大值也沒(méi)有達(dá)到1000 W/m2。這個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明大部分時(shí)間里，光伏都沒(méi)有運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，光照條件不是很好。環(huán)境測(cè)量?jī)x測(cè)量的溫度一直高于標(biāo)準(zhǔn)溫度25℃，溫度的升高會(huì)使輸出功率降低。中央研究院示范工程光伏存在遮擋的情況，光伏發(fā)電有這樣的特性，由于光伏陣列是由光伏模塊串并聯(lián)組成的，因此一個(gè)光伏陣列有幾塊光伏板被遮擋住，就相當(dāng)于整個(gè)光伏陣列串聯(lián)了一個(gè)很大的電阻，會(huì)嚴(yán)重影響輸出功率。也就是說(shuō)，光伏陣列的部分遮擋也會(huì)嚴(yán)重影響整體的輸出功率。

搭建的光伏模型可以通過(guò)修改短路電流、開(kāi)路電壓及等效串聯(lián)電阻來(lái)改變輸出功率，及輸出功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流和電壓值。

建立的仿真模型可以較好的反映光伏輸出特性，響應(yīng)快速，與實(shí)際光伏輸出特性一致，可以用于分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析。