本发明涉及光伏发电技术，具体涉及一种考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立方法及装置。
背景技术：
随着化石能源的日益枯竭以及逐渐加剧的环境问题，光伏等可再生能源得到了更加广泛地应用，同时在交通运输业中兴起的电动汽车的光伏充电站也逐步进入住宅小区、商业区和工业园区等，而大量的光伏电池板安装在建筑群附近，这就必然导致光伏设备出现局部遮阴的情况。
局部遮阴是指在光伏发电系统中，由于尘土、建筑物等因素造成光照不均匀，串联支路中被遮蔽的光伏电池组件成为负载，消耗其他有光照的光伏组件所产生的能量。局部遮阴不仅会使光伏发电系统的输出功率大大降低，造成大量的能量损耗，而且很有可能引发热斑效应。当发生热斑效应时，被遮阴部分的光伏电池两端为反向电压，当反向电压达到一定程度时，p-n结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下做漂移运动，因而使反向电流急剧增大，这就是雪崩击穿效应。发生雪崩击穿效应后反向电压也大幅度的增长，从而带动光伏电池的温度急剧增长，严重时就会毁坏光伏电池。
现有技术中，光伏电池的仿真模型主要采用光伏电池等效电路模型，光伏电池最基本的表现形式为光伏电池元，多个光伏电池元经过串并联后形成光伏组件，光伏组件再经过串并联形成光伏阵列。光伏阵列是工程应用中最常用的光伏电池形式，而传统的光伏电池等效电路模型并未考虑局部遮阴的情况，因此其仿真存在误差，无法为光伏电池的应用提供可靠理论基础。
因此，有待于针对局部遮阴的情况研究一种新的光伏电池仿真模型，使得光伏电池模型研究更加符合工程实际需要。
技术实现要素：
本发明针对传统的光伏电池等效电路模型的缺陷，基于雪崩击穿效应理论，提出了一种考虑局部遮阴情况下光伏电池仿真模型，该仿真模型能够有效地避免热斑效应引发的雪崩击穿问题，改善光伏电池输出特性的仿真效果，同时也能够延缓电池使用寿命，使得光伏电池模型研究更加符合工程实际需要。
本发明第一方面实施例提出一种考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取光伏电池的标准参数；
根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流；
根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；
根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型，所述等效并联电阻与一反向电流源并联，光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。
根据本发明一个实施例，所述光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压uoc、短路电流isc，具体参数可以参照表1。
根据本发明一个实施例，所述根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流包括：
光生电流的iph为:
p-n结效应电流id为:
p-n结效应反向饱和电流i0为:
串联电阻rs为:
rs＝r′s·ns/np
并联电阻rsh为:
rsh＝r′sh·ns/np
其中，isc为光伏电池短路电流，s为光强，s0为参考光强，id0为等效p-n结的反向饱和电阻，ud为二极管两端电压，t为温度，t0为参考温度，ct为温度系数，eg为半导体材料的禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，a为二极管品质因子，q为电荷常数，r′s为光伏电池的串联电阻，ns为光伏电池的串联个数，r′sh为光伏电池的并联电阻，np为光伏电池的并联个数。
根据本发明一个实施例，所述根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流包括：
光伏电池元的输出电流ipv为
光伏电池组件的输出电流i′pv为
其中，ubr为二极管的雪崩击穿电压，α、nn为雪崩击穿特征常数，upv光伏电池元的输出电压，u′pv为光伏电池组件的输出电压。
根据本发明一个实施例，基于matlab的simulink平台，根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立光伏电池仿真模型。
本发明第二方面实施例还提供一种考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立装置，其用于实现上述方法，所述的装置包括：
参数获取模组，用于获取光伏电池的标准参数；
第一确定模组，用于根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流；
第二确定模组，用于根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；
模型建立模组，用于根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型，其中，所述等效并联电阻与一反向电流源并联，光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。
根据本发明一个实施例，所述光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压、光生电流、光伏电池负载两端的电压。
根据本发明一个实施例，所述第一确定模组包括：
所述根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流包括：
光生电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定光生电流iph；
p-n结效应电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定p-n结效应电流id；
p-n结效应反向饱和电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定p-n结效应反向饱和电流i0；
串联电阻确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定串联电阻rs；
rs＝r′s·ns/np
并联电阻确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定并联电阻rsh；
rsh＝r′sh·ns/np
其中，isc为光伏电池短路电流，s0为参考光强，id0为等效p-n结的反向饱和电阻，t0为参考温度，ct为温度系数，eg为半导体材料的禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，a为二极管品质因子，q为电荷常数，r′s为光伏电池的串联电阻，ns为光伏电池的串联个数，r′sh为光伏电池的并联电阻，np为光伏电池的并联个数。
根据本发明一个实施例，所述第二确定模组用于根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流和如下公式确定光伏电池元的输出电流ipv和光伏电池组的输出电流i′pv；
其中，ubr为二极管的雪崩击穿电压，α、nn为雪崩击穿特征常数，upv光伏电池元的输出电压，u′pv为光伏电池组件的输出电压。
根据本发明一个实施例，所述模型建立模组，用于基于matlab的simulink平台根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立光伏电池仿真模型。
实施本发明实施例的具有以下有益效果：
(1)本发明实施例所述方法及装置能够有效地避免在局部遮阴情况下光伏电池由于热斑效应产生的雪崩击穿问题，提高了光伏电池的输出效率，同时延长了光伏电池的使用寿命；
(2)本发明实施例所述方法及装置使得光伏电池的数学模型更加完备，仿真误差小，在进行光伏产业研究时，则更接近工程实际的需要。
(3)本发明实施例考虑局部遮阴下的光伏电池等效电路模型是在传统等效电路模型的基础上并联一个反向电流源，使得整体输出不具备多极值点的特性，有利于实现光伏电池最大功率追踪。
(4)本发明实施例为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏，在光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立方法流程图；
图2为本发明实施例所述考虑局部遮阴的光伏电池等效电路模型示意图；
图3本发明实施例所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立装置示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例结合附图来进行说明。
如图1所示，本发明实施例提出一种考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立方法，所述方法包括如下步骤：
步骤s100，获取光伏电池的标准参数；
步骤s200，根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流；
步骤s300，根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；
步骤s400，根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型，所述等效并联电阻与一反向电流源并联，光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。
本实施例主要是在传统等效电路模型的基础上并联一个反向电流源，该反向电流源能够为阴影遮挡下的光伏电池提供一个补偿电流，其大小等于被遮挡电池与正常电池工作电流之差，使得整体输出不具备多极值点的特性，有利于实现光伏电池最大功率追踪。同时为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏，在光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。光照均匀时，旁路二极管处于反向截止，电阵列正常工作；光照不均匀时，旁路二极管导通，保护光伏电池不被反向雪崩电流击穿，并提高输出效率。在实验室中研究了考虑局部遮阴的光伏电池等效电路模型的输出特性。
其中，步骤s100中，所述光伏电池光伏电池的开路电压uoc、短路电流isc，具体参数可以参照表1。
表1光伏电池等效模型参数
其中，步骤s200中，所述根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流包括：
光生电流的iph为
p-n结效应电流id为
p-n结效应反向饱和电流i0为
串联电阻rs为
rs＝r′s·ns/np
并联电阻rsh为
rsh＝r′sh·ns/np
其中，s0为参考光强，id0为等效p-n结的反向饱和电阻，t0为参考温度，ct为温度系数，eg为半导体材料的禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，a为二极管品质因子，q为电荷常数，r′s为光伏电池的串联电阻，ns为光伏电池的串联个数，r′sh为光伏电池的并联电阻，np为光伏电池的并联个数。
其中，步骤s300中，所述根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流包括：
光伏电池元的输出电流ipv为
光伏电池组件的输出电流i′pv为
其中，ubr为二极管的雪崩击穿电压，α、nn为雪崩击穿特征常数，upv光伏电池元的输出电压，u′pv为光伏电池组件的输出电压。
其中，步骤s400中，所述方法基于matlab的simulink平台，根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立光伏电池仿真模型，该光伏电池仿真模型具体如图2所示，图中，iph为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的光照强度；i为光伏电池输出的负载电流；upv为负载两端的电压；无光照情况下，光伏电池的基本行为特性类似于一个普通二极管，ud表示等效二极管的端电压，id为流经二极管的电流；电路中等效串联电阻rs由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成；等效并联电阻rsh由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的p-n结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。一般来说，质量好的硅晶片1cm2的rs约在7.7～15.3mω之间，rsh在200～300ω之间。
此外，如图3所示，本发明实施例还提供了一种与上述方法对应的考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型建立装置，其用于实现上述方法，所述装置包括：
参数获取模组，用于获取光伏电池的标准参数；
第一确定模组，用于根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流；
第二确定模组，用于根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流；
模型建立模组，用于根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立所述考虑局部遮阴的光伏电池仿真模型，其中，所述等效并联电阻与一反向电流源并联，光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管。
其中，所述光伏电池的标准参数包括：光伏电池的开路电压、光生电流、光伏电池负载两端的电压。
其中，所述第一确定模组包括：
所述根据所述光伏电池的标准参数确定光伏电池仿真模型的等效串联电阻、等效并联电阻、p-n结效应电流和p-n结效应反向饱和电流包括：
光生电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定光生电流iph；
p-n结效应电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定p-n结效应电流id；
p-n结效应反向饱和电流确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定p-n结效应反向饱和电流i0；
串联电阻确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定串联电阻rs；
rs＝r′s·ns/np
并联电阻确定单元，用于根据所述光伏电池的标准参数和以下公式确定并联电阻rsh；
rsh＝r′sh·ns/np
其中，s0为参考光强，id0为等效p-n结的反向饱和电阻，t0为参考温度，ct为温度系数，eg为半导体材料的禁带宽度，k为玻尔兹曼常数，a为二极管品质因子，q为电荷常数，r′s为光伏电池的串联电阻，ns为光伏电池的串联个数，r′sh为光伏电池的并联电阻，np为光伏电池的并联个数。
其中，所述第二确定模组用于根据所述标准参数、等效串联电阻、等效并联电阻、光生电流、p-n结效应电流、p-n结效应反向饱和电流和雪崩击穿电压确定光伏电池仿真模型的输出负载电流和如下公式确定光伏电池元的输出电流ipv和光伏电池组的输出电流i′pv；
其中，ubr为二极管的雪崩击穿电压；α、nn为雪崩击穿特征常数，α、nn取值参照具体生产厂家给出的参数；upv光伏电池元的输出电压；u′pv为光伏电池组件的输出电压。
其中，所述模型建立模组，用于基于matlab的simulink平台根据所述等效串联电阻、等效并联电阻、等效二极管p-n结方向饱和电流以及输出负载电流建立光伏电池的工程简化仿真模型，模拟光伏组件输出特性，为光伏产业生产提供理论基础。
对于装置实施例而言，由于其对应于上述方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
通过以上描述可知，实施本发明实施例的具有以下有益效果：
(1)本发明实施例所述方法及装置能够有效地避免在局部遮阴情况下光伏电池由于热斑效应产生的雪崩击穿问题，提高了光伏电池的输出效率，同时延长了光伏电池的使用寿命；
(2)本发明实施例所述方法及装置使得光伏电池的数学模型更加完备，仿真误差小，在进行光伏产业研究时，则更接近工程实际的需要。
(3)本发明实施例考虑局部遮阴下的光伏电池等效电路模型是在传统等效电路模型的基础上并联一个反向电流源。该反向电流源能够为阴影遮挡下的光伏电池提供一个补偿电流，其大小等于被遮挡电池与正常电池工作电流之差，使得整体输出不具备多极值点的特性，有利于实现光伏电池最大功率追踪。
(4)本发明实施例为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏，在光伏电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。光照均匀时，旁路二极管处于反向截止，光伏阵列正常工作；光照不均匀时，旁路二极管导通，保护光伏电池不被反向雪崩电流击穿，并提高输出效率。
本发明实施例中方法及其装置中未展开的部分，可参考以上实施例的方法及其装置的对应部分，在此不再详细展开。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。