一种精确模拟光伏电池片电性能的方法
【专利摘要】本发明提出了一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，根据太阳电池双二极管模型，列出其输出特性的等效方程，运用泰勒公式进行降幂求解，使电池片工作电流和工作电压之间的关系变成显性函数，然后根据厂家给定的在标准条件下测试电池片的电性能参数便可描绘出电池片对应的I?V曲线，且可以通过控制光照强度和电池片温度得出不同工作条件下的电性能情况。本发明相对于单二极管四参数法具有较高的准确性，特别是在低辐照下较单二极管模型准确；最大工作点基本上与厂家提供的参数重合，偏差度在2%以内。
【专利说明】
一种精确模拟光伏电池片电性能的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，属于光伏发电技术领域。
【背景技术】
[0002] 现在所用的模拟光伏电池片电性能的模型多数还都是单二极管模型，如图1所示， 应用比较广泛的是四参数法，忽略并联电阻Rsh带来的影响，由于它具有一定的准确性且计 算方便。文献"多种类型硅电池光伏组件性能模拟的复合方法，白建波，郝玉哲，张臻等，太 阳能学报，2014,35(9): 1586-1591"介绍了单二极管的五参数法提取，使之计算结果更加准 确。
[0003] 随着光伏电站在全球的扩建，光伏组件受动静态阴影遮挡时的电性能变化颇受关 注，有很多文章和专利是关于这方面的研究，文献"局部阴影遮挡的太阳电池组件输出特性 实验研究，张臻，沈辉，李达，太阳能学报，2012,33(1):5-12"介绍了不同比例的阴影遮挡情 况下组件的功率损失，文献"局部阴影条件下光伏阵列建模及输出特性研究，张翔，王时胜， 电源技术，2015,39(1):203-206"介绍了局部阴影的模型建立方法，但是单二极管模拟方法 对低福照下的模拟存在一定的误差。文献"Modelling and Simulation of photovoltaic module consideringsingle-diode equivalent circuit model in MATLAB, Dominique.B，Zacharie.K，Donatien.N，Certified Journal，2008,3(3): 493-502"介绍了 双二极管模型可以减少低辐照下的模拟误差，但是双二极管模型的等效电路方程相当复 杂，I-V之间是非线性关系，且是隐函数，如何使之变成显函数是问题的焦点。文献"基于泰 勒展开式的双二极管模型显示表达，杨桂红，伦淑娴，电子设计工程.2015,23(23) !none"提出运用泰勒公式提取参数法使之成为显性函数，但是计算方法相当复杂，而且只是 在五参数单二极管的基础上，提出类似于七参数法求解超越方程，并未有直接推导出I-V对 应的显性关系。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种精确模拟光伏电池 片电性能的方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0006] -种精确模拟光伏电池片电性能的方法，包括以下步骤：
[0007] η相捉一极管笔教爐姻由路·图渴？IiKI由袖由性能的等效方程如下：
[0008]
[0009]
[0010] (2)
[0011] (J)
[0012] (4)
[0013]其中：I为电池片的工作电流；1沛为电池片的光生电流；ID1为等效二极管Dl的暗电 流;Id2为等效二极管D2的暗电流;Ish为等效并联电阻的漏电流；Io1为等效二极管Dl由于电 子、空穴的扩散引起的反向饱和电流;Io 2为等效二极管D2由于电子、空穴在空间电荷区的再 复合引起的反向饱和电流M1为等效二极管Dl的结构因子;A 2为等效二极管D2的结构因子;V 为电池片的工作电压;Rs为等效串联电阻；Vt = ￥为电池片的热电压，k为玻尔兹曼常数，T 为电池片温度，q为电荷常数;Io为等效二极管的反向饱和电流，对于等效二极管Dl，1〇即为 1〇1，对于等效二极管D2，I〇即为1〇2，1。,^为参考温度25°(：下，结构因子为厶时的反向饱和电 流;Tqrf为电池片参考温度;T。为电池片现在的工作温度;E g为半导体硅的禁带宽度；
[0014] 将公式(2)、（3)带入式（1)，并整理得到：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 其中：1邱，1^，匕均由电池片厂家提供；1()1，1()2直接根据式(4)求出；取厶 1 = 1，八2 = 1.2;VT与电池片温度有关;此时式（11)中只有工作电压和工作电流是未知量，便得出工作 电流I和工作电压V之间的显性关系；
[0024] 3)运用Matlab建模，设定工作电压从0开始直到开路电压V。。为止，设定步长，便得 出一系列的工作电流值，绘制曲线，得到电池片的I-V曲线。
[0025] 前述的步骤3)的步长设置为0.001V。
[0026] 本发明所达到的有益效果：
[0027] (1)本发明方法的双二极管模型计算方法比较简单，避免了以往模拟中需要运用 迭代法或者是Lambert W函数法，且具有很高的准确性；
[0028] (2)相对于单二极管四参数法(忽略并联电阻1^)具有较高的准确性，特别是在低 辐照下较单二极管模型准确；最大工作点基本上与厂家提供的参数重合，偏差度在2%以 内；
[0029] (3)本发明方法为一些模拟软件的编程提供方便，可直接通过函数关系编辑到函 数库，通过给定电压步长直接绘制电池片不同辐照和温度下的电性能变化。
【附图说明】
[0030] 图1为单二极管等效模型；
[0031] 图2为双二极管等效模型；
[0032] 图3厂家提供的电池片电性能参数和I-V曲线；
[0033] 图4为图3的电池片运用单二极管等效模型模拟结果；
[0034] 图5为图3的电池片运用双二极管等效模型模拟结果；
[0035] 图6为模拟结果和实测值对比图；
[0036] 图7为本发明的模拟结果和实测值偏差度。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0038] 本发明的精确模拟光伏电池片电性能的方法，包括以下步骤：
[0039] 1)根据双二极管等效模型电路图得到光伏电池片电性能的等效方程如下：
[0040]
[0041]
[0042] (2)
[0043] (3.)
[0044] (4)
[0045] 光伏电池片的双二极管等效模型如图2所示，
[0046] 式中：I为电池片的工作电流;Iph为电池片的光生电流;Id1为等效二极管Dl的暗电 流;Id 2为等效二极管D2的暗电流;Ish为等效并联电阻的漏电流；Io1为等效二极管Dl由于电 子、空穴的扩散引起的反向饱和电流，与电池片温度有关;Io 2为等效二极管D2由于电子、空 穴在空间电荷区的再复合引起的反向饱和电流，与电池片温度有关M1为等效二极管Dl的 结构因子；A 2为等效二极管D2的结构因子；V为电池片的工作电压；RS为等效串联电阻； %=$为电池片的热电压汰为玻尔兹曼常数，一般为1.38\1〇-231/1(，1'为电池片温度，采用 开尔文温度，q为电荷常数，一般为1.6X HT19C; Io为等效二极管的反向饱和电流，对于等效 二极管Dl，I〇即为IQ1，对于等效二极管D2，I〇即为1〇2，1。,^为参考温度25°(：下，结构因子为八 时的反向饱和电流;T c,ref为电池片参考温度，取25°C;Tc为电池片现在的工作温度;E g为半 导体硅的禁带宽度(一般在25°CTEg= 1.12eV)。
[0047] 将公式(2)、（3)带入式（1)，整理后得：
[0048]
(5)
[0049] 其中：1为电池片等效串联电阻，是由扩散顶区的表面电阻，电池的体电阻和上、 下电极与太阳电池之间的欧姆电阻及金属导体的电阻构成;Rsh为电池片的等效旁路电阻， 主要由以下两种因素形成：电池表面污染而产生的沿着电池边缘的表面漏电流;沿着位错 和晶粒间界的不规则扩散或在电极金属化处理之后，沿着微观裂缝、晶粒间界和晶体缺陷 等形成的细小桥路而产生的漏电流。
[0050] 2)由于式(5)的等效方程是非线性方程，而且工作电流I和工作电压V的对应关系 是隐函数，不能通过直接方法进行求解，因此本发明提出运用泰勒公式进行降幂求解，使之 变成显性函数。
[0051] 泰勒公式:若函数f(X)在开区间（a，b)有直到n+1阶的导数，则当函数在此区间内 时，在X = XQ处的展开式为：
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]式中山^^儿均可由电池片厂家提供山^-与厂家提供的电池片温度系数有 关，可直接根据式（4)求出；根据文献"Modelling and Simulation of photovoltaic module consideringsingle-diode equivalent circuit model in MATLAB, Dominique.B,Zacharie.K，Donatien·N，Certified Journal，2008，3(3):493-502"取Ai = I，A2 = 1.2; Vt与电池片温度有关;此时式（11)中只有工作电压和工作电流是未知量，便得出 工作电流I和工作电压V之间的显性关系。
[0064] 3)运用Matlab建模，根据电池片厂家提供的相关技术参数进行设定，设定工作电 压从0开始直到开路电压V。。为止，步长设为0.001V，便得出一系列的工作电流值，绘制曲线， 得到电池片的I-V曲线。并且可以以太阳辐照度和电池片温度作为控制变量，模拟电池片在 任意辐照度和任意遮挡比例下的电性能输出情况。
[0065] 实施例：
[0066] 图3是电池片厂家提供的电池片电性能参数，在标准条件(AM1.5光谱、光强1000W/ m2、25°C)下进行测试，采用3A级太阳模拟器。图4是利用单二极管等效模型进行模拟，忽略 了并联电阻Rsh的影响，因为Rsh的阻值相对较大，忽略Rsh可以使原来的单二极管模型变成显 性方程，且能一定程度上保证模拟的准确性。根据电池片厂家提供的相关技术参数进行设 定，设定工作电流从〇开始直到短路电流Is。为止，步长设为0.001A，便得出一系列的工作电 压值，绘制曲线，得到电池片的I-V曲线。图5是采用本发明方法的双二极管模型模拟的I-V 曲线，对e：^项和6|项进行泰勒展开，并取线性部分，整理成式（11)后，根据电池片厂家 提供的相关技术参数进行设定，设定工作电压从〇开始直到开路电压V。。为止，步长设为 0.001V，便得出一系列的工作电流值，绘制曲线，得到电池片的I-V曲线。图6是电池厂家、单 二极管模拟和双二极管模拟得出的电池片I-V特性曲线进行对比，验证双二极管模型的正 确性和准确性。图7是利用本发明提出的一种精确模拟光伏电池片电性能的方法模拟出电 池片在不同工作电压下的定性能特性与实测值进行对比，分析模拟与实验的偏差度。
[0067] 结论：
[0068] (1)对6^:项和项进行泰勒展开，并取线性部分，使双二极管模型显性化，根 据电池片厂家提供的相关技术参数进行设定，设定工作电压从〇开始直到开路电压V。。为止， 步长设为0.001V，便得出一系列的工作电流值，绘制曲线，得到电池片的I-V曲线。比现在采 用的单二极管模型更加准确、可行。
[0069] (2)采用双二极管显性模型对电池片电性能进行模拟，在电池片最佳工作点处，最 佳工作电压差值小于0.05V，最大工作点基本上与厂家提供的参数重合，偏差度在2%以内。 [0070]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 根据双二极管等效模型电路图得到光伏电池片电性能的等效方程如下：其中：1为电池片的工作电流；Iph为电池片的光生电流；Idi为等效二极管D1的暗电流； Id2为等效二极管D2的暗电流；Ish为等效并联电阻的漏电流;Ιο?为等效二极管D1由于电子、 空穴的扩散引起的反向饱和电流;1〇2为等效二极管D2由于电子、空穴在空间电荷区的再复 合引起的反向饱和电流;Ai为等效二极管D1的结构因子;Α2为等效二极管D2的结构因子;V为 电池片的工作电压;私为等效串联电阻；所=^为电池片的热电压，k为玻尔兹曼常数，T为 电池片溫度，q为电荷常数；1〇为等效二极管的反向饱和电流，对于等效二极管Dl，Io即为 1〇1，对于等效二极管D2，I〇即为I〇2，Io,ref为参考溫度25°C下，结构因子为A时的反向饱和电 流;T。,ref为电池片参考溫度;T。为电池片现在的工作溫度;Eg为半导体娃的禁带宽度； 将公式(2)、（ 3)带入式(1)，并整理得到：(巧 其中：Rsh为电池片的等效旁路电阻； 2) 将式巧)写成如下形式：其中：Iph，Rsh，?α匀由电池片厂家提供；Ιο?，1〇迫接根据式(4)求出；取Ai = 1，A2 = 1.2; Vt 与电池片溫度有关;此时式（11)中只有工作电压和工作电流是未知量，便得出工作电流I和 工作电压V之间的显性关系； 3) 运用Matlab建模，设定工作电压从0开始直到开路电压V。。为止，设定步长，便得出一 系列的工作电流值，绘制曲线，得到电池片的I -V曲线。2.根据权利要求1所述的一种精确模拟光伏电池片电性能的方法，其特征在于，所述步 骤3)的步长设置为0.001V。
【文档编号】G06F17/50GK105938504SQ201610214966
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】邓士锋, 张臻, 贾朋, 宾雪儿, 于书魁, 邵玺
【申请人】河海大学常州校区