基于PVsyst的太阳能光伏电池电气特性的仿真研究
丁文龙;朴在林;王慧
【摘 要】在不同辐照强度和光伏电池温度、有无旁路二极管条件下,利用光伏软件PVsyst对多晶硅光伏电池组件及其单体电池的反向特性进行了研究,对不同旁路二极管数量、局部电池不同阴影率条件下的光伏组件输出特性进行了仿真.基于辐照强度、电池温度、旁路二极管对光伏组件及其电池反向特性的影响,对旁路二极管和局部电池阴影率对光伏组件发电性能的影响进行了分析.研究结果表明:当光伏电池加反向恒定电压时,随辐照强度、电池温度升高,流过电池的电流逐渐升高;当无旁路二极管的光伏组件加反向电压时,随反向电压升高,电流升高缓慢,当带旁路二极管的光伏组件加反向电压时,旁路二极管导通,电流急剧升高;当光伏组件局部电池被遮挡时随旁路二极管数量增加,光伏组件功率损失逐渐减小,当光伏组件无旁路二极管时随光伏组件局部电池阴影率升高,光伏组件输出功率持续下降. 【期刊名称】《可再生能源》 【年(卷),期】2016(034)004 【总页数】6页(P488-493)
【关键词】辐照强度;电池温度;旁路二极管;反向特性;阴影率;输出特性 【作 者】丁文龙;朴在林;王慧
【作者单位】沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁沈阳110866;沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁沈阳110866;沈阳农业大学信息与电气工程学院,辽宁沈阳110866
【正文语种】中 文 【中图分类】TM615
随着光伏发电技术在光伏建筑一体化方面的广泛应用，越来越多的光伏电站与建筑邻接，这些建筑会使光伏元件产生部分阴影。当单体电池被外部物体遮挡时，该电池将处于反偏状态，并成为负载。被遮挡的电池温度升高，通常称之为热斑现象。光伏组件温度的升高会使整个光伏组件失效[1]。
因而，研究光伏电池的反向特性及其影响因子、减少光伏组件热斑现象的发生显得非常重要。文献[2]在MATLAB中仿真了光伏电池的反向特性，分析了光伏组件模型各个参数对光伏电池电气特性的影响。文献[3]～[5]介绍了部分阴影时反向击穿电池的危害，及光伏电池的反向特性。文献[6]在MATLAB中建立了光伏电池仿真模型，模拟光伏电池的正反向特性和不同环境条件下的输出特性。
本文利用专业光伏发电系统设计仿真软件（PVsyst）研究了光伏电池反向特性以及光伏电池反向特性影响因子，对旁路二极管数量和光伏组件局部电池阴影率对整个光伏组件发电性能的影响进行了仿真研究。
根据电子学理论，光伏电池的等效电路[7]，[8]如图1所示。 根据图1，忽略结电容CJ，可以得到光伏电池的I-U特性曲线方程为
式中：Iph为光电流，A；Io为反向饱和电流，A；q 为电子电荷，1.6×10-19C；K 为玻耳兹曼常数，1.381×10-23J/K；T为电池温度，K；A为二极管品质因子；Ncs为光伏电池串联数；Rs为串联电阻，Ω；Rsh为并联电阻，Ω。
光电流随辐照强度和温度的变化而变化。光伏电池二极管模型假定光电流与辐射强度完全成正比，光电流随温度变化幅度小并且为正值（短路电流温度系数muISC为0.05%/℃数量级）。因此，任何条件下的光电流Iph将通过参考辐照强度Gref和参考电池温度Tref来确定：
式中：G为实际辐照强度，W/m2；Gref为参考辐照强度，1 000 W/m2；Tc为实际电池温度，K；Tcref为参考电池温度，298 K；muISC为短路电流温度系数，%/℃。
二极管反向饱和电流I0为
式中：Ioref为参考反向饱和电流，A；EGap为材料能量间隙，1.12 eV。 光伏电池处于反偏状态时，电池的性能特征与所施加反向电压为二次方关系： 式中：IRev为反向电流，A；bRev为反向二次方系数。方程（4）有效反向电压U为0～雪崩区-30 V[9]。
该研究以光伏发电系统常用的60个单体电池串联构成的光伏组件 （如天合光能有限公司的TSM250-PDG5）为研究对象，仿真参数见表1。
利用PVsyst工具箱（图2）对光伏电池的反向特性、光伏组件并联旁路二极管和无并联旁路二极管时的反向特性进行仿真。整理仿真数据，分析辐照强度、电池温度对光伏电池反向特性的影响以及旁路二极管对光伏组件反向特性的影响。 在PVsyst工具箱中设置单体光伏电池表面辐照强度S=1 000 W/m2，电池温度T=25℃，对单体光伏电池反向特性进行仿真，U-I曲线如图3所示。 在PVsyst工具箱中设置光伏电池温度T=25℃，电池表面辐照强度S分别为1 000，800，600，400，200 W/m2，对单体光伏电池反向特性进行仿真，U-I曲线如图4所示。
图4 中随辐照强度的增强，电流迅速增加。由此可见辐照强度是影响光伏电池反向特性的因素之一。
在PVsyst工具箱中设置光伏电池表面辐照强度S=1 000 W/m2，单体光伏电池温度T分别为0，20，40，60，80 ℃，对单体光伏电池反向特性进行仿真，U-I曲线如图5所示。
图5所示，随着温度的升高，电流略有增加，可见光伏电池温度也是影响其反向
特性的因素之一。
①在PVsyst工具箱中设置S=1 000 W/m2，T=25℃，对无旁路二极管的光伏组件反向特性进行仿真，U-I曲线如图6所示。
由图6可知，当光伏组件施加反向电压时，随反向电压的升高，电流基本保持不变，而光伏组件所消耗的电功率逐渐升高。当光伏组串中存在局部阴影率达到一定程度时，被遮挡的光伏组件将会承受反向电压[10]；随着反向电压的升高，被遮挡光伏组件所消耗的功率将会持续升高，进而严重影响整个光伏组串的输出功率。 ②在PVsyst工具箱中设置S=1 000 W/m2，T=25℃，对带旁路二极管的光伏组件反向特性进行仿真，U-I曲线如图7所示。
如图7所示，当光伏组件通以反向电压大于旁路二极管导通电压时，旁路二极管导通，电流急剧增加。由此可知，当被遮挡的光伏组件承受反向电压大于旁路二极管导通电压0.6 V时，旁路二极管导通，此时被遮挡的光伏组件被旁路二极管短路，未被遮挡光伏组件产生的电流从旁路二极管流过，故被遮挡的光伏组件不再消耗未被遮挡光伏组件所产生的电能。
对比分析①和②可知，带旁路二极管的光伏组件比无旁路二极管的光伏组件能更好的适应具有局部阴影的光伏阵列。
利用PVsyst工具箱分别对旁路二极管数量和光伏组件局部电池遮挡率对光伏组件发电性能影响进行了仿真研究。
当光伏组件中局部电池出现严重遮挡不能发电时，被遮挡电池片会承受反向电压，此时旁路二极管导通，未被遮挡电池所产生的电流从二极管流过，使光伏发电系统继续发电，不会因为某一片电池出现问题而出现发电电路不通的情况[11]。 在PVsyst工具箱中设置光伏组件表面辐照强度S=1 000 W/m2、温度T=25℃、单块光伏组件中单个电池阴影率为90%的环境条件。当光伏组件分别并联0，2，4，6个旁路二极管 （分别为无旁路二极管、每30个电池片并联1个旁路二极管、
每15个电池片并联1个旁路二极管、每10个电池片并联1个旁路二极管）时，对光伏组件的输出U-I特性和输出U-P特性进行仿真，结果如图8和图9所示。 由图8和图9可知，当光伏组件表面辐照强度、组件温度、局部电池片阴影率一定时，随着光伏组件并联旁路二极管数量的增加，光伏组件的最大功率点功率大幅升高，功率损耗明显下降。可见光伏组件并联旁路二极管数量的增加，对于降低存在局部阴影的光伏组件功率损耗具有显著作用。
当光伏组件表面辐照强度S=1 000 W/m2、温度T=25℃、光伏组件中单个电池阴影率为90%时，光伏组件并联旁路二极管数量、最大功率点功率Pm和功率损耗关系如表2所示。
由表2可知，随着并联旁路二极管数量的增加，光伏组件最大功率点功率显著增加，但功率增长速度逐渐缓慢。由此可见，并不是每个单体电池都需要并联旁路二极管，确定光伏组件并联旁路二极管数量要考虑成本效益。
在PVsyst工具箱中设置光伏组件表面辐照强度S=1 000 W/m2，T=25℃、组件无并联旁路二极管的条件下，单块光伏组件中单个电池阴影率η、最大输出功率Pm和功率损耗率关系如表3所示。
由表3可知，当光伏组件无并联旁路二极管时，随着局部电池片阴影率的升高，光伏组件的最大功率点功率迅速下降。可见光伏组件无并联旁路二极管时，局部电池的遮挡会严重影响整个光伏组件的功率输出，从而进一步影响光伏组串的功率输出。
在PVsyst工具箱中设置光伏组件表面辐照强度S=1 000 W/m2，T=25℃、组件并联旁路二极管数量分别为 0，2，4，6，10 的条件下，对单块光伏组件中的单个电池阴影率η—最大功率点功率Pm特性进行仿真，结果如图10所示。 由图10可知，当光伏组件的并联旁路二极管数量≥2时，随光伏组件中单块电池阴影率的增加，光伏组件最大功率点功率Pm逐渐降低。当电池片阴影率达到曲
线拐点处时，被遮挡电池所在支路并联的旁路二极管承受反向电压并导通。此时被遮挡电池所在支路被旁路二极管短路，未被遮挡电池产生的电流从旁路二极管流过；光伏组件输出功率不再受被遮挡电池的影响，最终光伏组件最大功率点功率Pm保持恒定不变。
本文以250 Wp多晶硅光伏电池组件为研究对象，利用PVsyst软件对不同辐照强度、不同光伏电池温度、有无并联旁路二极管条件下的光伏电池组件及其单体电池的反向特性和在不同旁路二极管数量、局部电池不同阴影率条件下的光伏组件输出特性进行了仿真。得到如下研究结果。
①当光伏电池通以恒定反向电压时随辐照强度、电池温度的升高，流过电池的电流迅速升高；当无旁路二极管的光伏组件通以反向电压时，随反向电压的升高，电流基本保持不变，当带旁路二极管的光伏组件通以反向电压时，旁路二极管迅速导通，电流急剧上升。可见影响光伏电池反向特性的主要因素有光伏电池表面辐照强度、光伏电池温度和光伏组件并联旁路二极管。
②当光伏组件局部电池被遮挡时，随旁路二极管数量的增加，光伏组件的功率损失逐渐减小；当光伏组件无旁路二极管时随光伏组件局部电池阴影率的升高，光伏组件输出功率持续下降。可见光伏组件并联旁路二极管数量的增加，对于降低存在局部阴影的光伏组件功率损耗具有显著作用。随旁路二极管数量的增加，光伏组件最大功率点功率显著增加，但功率增长速度逐渐缓慢。由此可见并不是每个单体电池都需要并联旁路二极管，确定光伏组件旁路二极管数量需要考虑组件成本及效益问题。
为了减少热斑效应给光伏电池带来的损害，应尽量采用带有并联旁路二极管的光伏组件，对光伏组件进行降温处理、定期对光伏组件进行清洁维护等。
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