关于光伏组件PANFile五参数的确定

关于光伏组件PANFile五参数的确定
关于光伏组件PANFile五参数的确定
 
问题1:
老师您好!PVsyst软件里面关于弱光性能参数串联电阻Rs、并联电阻Rsh的默认值是如何确定的呢?
 
解答:
回答这个问题,需要根据PVsyst软件光伏组件的单二极管模型,了解5参数的提取方法及软件对于弱光性能参数Rsh和Rs的计算逻辑。
 
1.PVsyst单二极管模型
目前文献中提到的电池组件模型一般基于光伏电池的物理特性建立等效电路,常用的有单二极管模型和双二极管光伏电池模型,单二极管模型又分为4参数、5参数以及7参数模型等,其中4参数模型是假设并联电阻为无穷大,而忽略了并联电阻,模型只包含光生电流Iph、二极管反向饱和电流Io、串联电阻Rs、二极管理想因子Gamma这4个参数,故精度有限;5参数模型是在4参数的基础上添加了并联电阻,精度略高。
双二极管模型是目前较全面表征光伏电池特性的模型,它在单二极管模型的基础上增加一个二极管,用来表征载流子在耗尽区的复合损失,但其所需要求解的参数为七个甚至更多,复杂程度有所增加,求解时间也需要更长,故光伏研究人员使用双二极管模型进行系统建模与工程应用的并不多。综合考虑参数个数以及预测精度,五参数单二极管模型是当今应用最为广泛的,PVsyst软件所使用的也是基于5参数的单二极管模型。
5参数光伏电池单二极管等效电路如图1所示,根据相关文献,光伏电池电压和电流之间关系的表达式参考式(1)。
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图1 光伏单二极管模型

 关于光伏组件PANFile五参数的确定1

Uth为热电压,其公式关于光伏组件PANFile五参数的确定

式(1)的相关参数含义如下:

I和 V分别是光伏组件的输出电流值和电压值,Iph是光生电流,Io是二极管的反向饱和电流,Rs是串联电阻,Rsh是并联电阻,n1是理想因子,Ns 是串联电池的数目,T 是电池温度(单位为 K ),q 是电子电荷,k为玻尔兹曼常数。

 

很明显,I-V特性表达式(1)是一个超越方程,需要通过数值分析的方法求解,但数值分析方法对初值比较敏感,需要事先确定初值来求解这5个未知参数。
由于5参数有3个是跟电池温度和辐照度有关,确定也非常困难,故并不在光伏组件厂提供的技术参数之列。目前光伏组件厂商能提供的技术参数通常为STC条件下的值,包括短路电流、开路电压、最大功率点电压、最大功率点电流、开路电压温度系数、短路电流温度系数和功率温度系数。在5参数模型建立过程中,我们可以利用这些厂商给定的初值建立适合于光伏系统设计的工程用数学模型,来模拟光伏发电输出和I-V输出特性。

2.标准工况下PVsyst单二极管模型5参数的确定

 

确定STC下的5 参数,需要知道在光伏组件的短路电流、开路电压,最大功率点电流,最大功率点电压和光伏电池I-V特性曲线中在短路电流点处的斜率。I-V 特性曲线在短路电流点处的斜率通常厂商不直接提供,但可以从厂商提供的标准测试条件下的I-V 特性曲线中计算得到并联电阻值Rsh(Gref),如图2所示。
 
如果厂商不提供标准测试条件下的 I-V 曲线,我们可以考虑用 4 参数模型,或者短路电流点和最大功率点间的斜率以得到一个估算斜率,即使用5*Vmpp/(Isc-Impp) 计算Rsh(Gref),这个值是PVsyst的默认值(而实际计算和软件给出的值约有几欧姆的差异)。
由于在PVsyst模型当中,并联电阻相对于串联电阻来说对光伏电池弱光的影响甚微,因此并联电阻值精确性要求不太高。
 
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2 I-V曲线中RshGref)的计算
 
根据光伏电池厂家提供的标准测试条件下的三个特殊点实测数据(0,Isc),  (Vmp,Imp), (Voc,0)  ,代入式(1),可得到含光伏组件模型参数的非线性方程组,如下所示:
 
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Rsh(Gref)确定后,将剩余4个未知参数,只要有1个参数是确定的,其余的3个参数就可通过上述三个方程进行求解。由于组件串联电阻值Rs受温度的影响比较小,可通过确定Rs值来计算其余参数。
从PVsyst用户手册可查询到Rs的确定方法:在低辐照度200W/m2时,组件转换效率与STC转换效率相比下降3%。
 
问题2:Rsmax的影响因素有哪些呢?
解答:如图3所示,I-V曲线需要通过给定的三个初值,但是Rs存在一个取值范围,在0和RSmax之间。根据PV手册,Rsmax主要受到Rsh、Vm与VOC比值的影响。

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图3 IV曲线与串联电阻值范围
 
如图4所示,当Rsh在0与1500Ω范围内变化,Rsmax从0.30Ω增加至0.36Ω左右,当Rsh超过1500Ω以后,Rsmax增幅有限,维持在0.37附近。故Rsh对Rsmax的影响存在一个拐点。Rsh取值不一定要非常高,超过拐点对Rsmax的影响特别小。
 

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图4 Rsmax随Rsh值的变化关系

 

图5为Rsmax随Vm/VOC比值的变化关系,当该比值增加后,Rsmax呈现线性下降趋势。 也就是说Vm不变的情况下,VOC的增加对Rsmax的增加是有利的。从图4与图5的比较来看,Vm与VOC比值对Rsmax的影响较大

 

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图5 Rsmax随Vm/VOC比值的变化关系

参考:PVsyst help手册

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