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      淺析光伏組件的電氣特性與工程應用模型

      2014-10-15 09:14:36耿新輝
      機電信息 2014年18期
      關(guān)鍵詞:發(fā)電站方陣組件

      耿新輝

      (國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106)

      0 引言

      “光伏發(fā)電”是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。1839年,法國科學家貝克勒爾(A.E.Becqurel)首先發(fā)現(xiàn)了“光生伏打效應”(Photovoltaic Effect)。1954年,第一個實用單晶硅光伏電池(Solar Cell)在美國貝爾實驗室研制成功[1]。20世紀70年代中后期開始,光伏電池技術(shù)不斷完善,成本不斷降低,帶動了光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。

      典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電站由光伏方陣、逆變器、發(fā)電單元升壓變壓器、站內(nèi)集電線路、無功補償裝置和光伏發(fā)電站主變壓器組成。光伏方陣通過光伏效應將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能,再由逆變器將直流電能變換成交流電能,經(jīng)過發(fā)電單元升壓變壓器升壓后連接站內(nèi)集電線路,最后通過主變壓器升壓后將電能送入電網(wǎng)傳輸。此外,并網(wǎng)光伏發(fā)電站組成設(shè)備還包括并網(wǎng)點以內(nèi)的站內(nèi)升壓系統(tǒng)。對于有升壓站的光伏發(fā)電站,并網(wǎng)點指升壓站高壓側(cè)母線或節(jié)點。對于無升壓站的光伏發(fā)電站,并網(wǎng)點指光伏發(fā)電站的輸出匯總點。相應地,光伏發(fā)電系統(tǒng)的模型構(gòu)成通常包括光伏組件模型、方陣模型、逆變器模型、集電升壓系統(tǒng)模型和無功補償系統(tǒng)模型等。

      研究有效的模型結(jié)構(gòu)和準確的模型參數(shù)是光伏發(fā)電并網(wǎng)分析的基礎(chǔ)。通過建模和仿真分析,掌握光伏發(fā)電的電氣特性,深入分析光伏發(fā)電與電網(wǎng)的交互影響機理,對應對光伏發(fā)電的間歇性波動帶來的負面影響具有重要的意義。本文主要從光伏組件的理論模型著手,通過簡化分析,討論了一種基于標準測試參數(shù)的光伏組件的工程應用模型,為光伏發(fā)電特性的分析提供了滿足工程精度要求的計算模型。

      1 光伏組件的理論模型

      基于光伏組件物理原理,分析輻照度、溫度的影響,建立了帶有旁路二極管及串并聯(lián)電阻的電池理論模型,如圖1所示[2]。

      圖1 光伏組件等效電路圖

      按照圖1所規(guī)定的電流、電壓參考方向,可以得出太陽能電池的非線性I—V特性方程:

      式中,Iph為光生電流(A),隨太陽輻射量和溫度變化;I0為旁路二極管反向飽和電流(A),受溫度影響;A為二極管曲線因子,取值在1~2之間;k為玻爾茲曼常數(shù),1.381e-23J/K;T 為熱力學溫度;q為電子電量,1.602e-19C;Rs為等效串聯(lián)電阻,包括體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面接觸電阻;Rsh為等效并聯(lián)電阻,用來反映硅片邊緣的不清潔或體內(nèi)的缺陷。

      2 光伏組件的工程應用模型

      強光條件下,有Iph>>(U+IRs)/Rsh,又有短路時流經(jīng)二極管的暗電流非常小,則可近似認為光伏組件的短路電流ISC≈Iph。通常,光伏組件的串聯(lián)電阻Rs很小,而旁漏電阻Rsh很大,這就使得光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率對Rs的變化非常敏感,而Rsh的變化對光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率影響不大。對于理想的單體光伏組件,沒有串聯(lián)電阻以及旁漏電阻,即Rs=0,Rsh=∞。式(1)可簡化為:

      可見,光伏組件的數(shù)學模型可用其4個技術(shù)參數(shù)(開路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點電壓Um和最大功率點電流Im)表達[3-4],其中,光伏組件的 UOC/ISC/Um/Im在標準 測試環(huán)境(參考日照度Sref=1 000W/m2和參考環(huán)境溫度Tref=25℃)下得到。若光伏組件工作在非標準測試環(huán)境下,根據(jù)參考日照度和參考溫度下的4大參數(shù),可推導出任意光照度和任意電池溫度下的太陽能光伏組件的I—V特性:

      其中,對于硅材料光伏組件,a、b、c的典型推薦值為0.002 5、0.000 5、0.002 88。

      根據(jù)上述模型,結(jié)合光伏組件生產(chǎn)商提供的電池參數(shù)(開路電壓UOC、短路電流ISC、最大功率點電壓Um和最大功率點電流Im),繪制出某型光伏組件的I—V特性曲線,如圖2所示。

      3 研究結(jié)論

      可以看出,這種光伏組件發(fā)電特性的工程計算方法能避免由于理論模型參數(shù)無法獲取而帶來的難題,同時基于標準環(huán)境下的實測參數(shù)的計算和推導,又在一定程度上保證了模型的精度。而對于光伏方陣,因為是由光伏組件以不同的串/并聯(lián)方式組成,基于光伏組件等效電路原理建立光伏方陣的等效電路模型,同理可根據(jù)光伏組件工程應用模型建立光伏方陣工程應用模型(采用倍乘方法建立光伏方陣仿真模型,串聯(lián)后的方陣輸出電壓為各光伏組件電池輸出電壓之和,并聯(lián)后方陣輸出的電流為各個光伏組件輸出電流之和,并對參數(shù)作標幺化處理),考慮到安裝方式、跟蹤方式、陰影等因素,只需要對輸入輻照度參數(shù)進行修正和等效。

      圖2 某型號1系列單晶硅太陽能電池I—V特性曲線

      [1]趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應用[M].北京:科學出版社,2005

      [2]沈輝,曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2009

      [3]蘇建徽,余世杰,趙為,等.硅太陽電池工程用數(shù)學模型[J].太陽能學報,2001(4)

      [4]廖志凌.任意光強和溫度下的硅太陽電池非線性工程簡化數(shù)學模型[J].太陽能學報,2009(4)

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