一種光伏組件串行電阻的求解方法

2024-04-16 16:26:05

1.本發明涉及太陽能光伏組件發電領域，尤其是涉及一種太陽能光伏組件串行電阻的求解方法。


背景技術：

2.由於化石能源的環境汙染缺陷和不可再生性質，世界各國都在加速從傳統能源系統向可再生能源的結構性轉變。2021年，可再生能源佔全球電力的28.3％，全球太陽能光伏市場保持了破紀錄的增長，新裝機總量為175gw左右。2021年，中國太陽能光伏新增裝機容量約54.9gw，連續九年位居世界第一。光伏組件製造商提供的太陽能光伏系統的使用壽命通常被認為是20-25年。然而，研究表明，隨著正常運行和維護，太陽能光伏組件的30年或更長的生命周期正在成為事實。隨著全球太陽能光伏累計容量接近1000gw的閾值，如何長期有效維護和監控大型光伏組件或光伏陣列迫在眉睫。因此，為了最大限度地提高投資回報率並降低製造成本，需要了解實際運行的光伏組件的健康狀況，並及時消除相關故障狀態。
3.串聯電阻是光伏組件的重要電氣參數，該電阻用於表徵金屬電極與半導體之間接觸電阻、半導體材料的內阻以及金屬互連的體電阻的集總等效電阻。串聯電阻的存在會導致光伏組件輸出電壓的降低，進而降低其輸出功率。隨著光伏組件的老化，現場日常熱循環的機械影響將不可避免地導致串聯電阻的逐漸增加。其他影響因素包括串聯電纜和每個連接點接觸電阻的老化，以及焊料腐蝕或斷開等。因此，串聯電阻的測量可以作為評估光伏組件性能退化的有效工具。同時，作為與光伏組件電氣行為密切相關的參數之一，串行電阻值的提取直接影響光伏組件的輸出功率預測、性能監測、效率評價和最大功率點跟蹤。
4.串行電阻現有的求解方法主要有兩類：
5.1、通過近似和假設，在光伏組件數學模型的基礎上推導出串行電阻的解析表達式，這類解析表達式雖然求解方便，但是精度偏低；
6.2、利用人工智慧的元啟發式方法對串行電阻進行參數辨識達到求解和估計的目的，這類方法雖然精度較高，但是算法普遍較為複雜，求解不方便。
7.因此，現有的技術有待改進和發展。


技術實現要素：

8.本發明所要解決的技術問題是實現一種光伏組件串行電阻的求解方法，從而獲取更加精準的光伏組件串行電阻參數，並且要求工程實現很方便。
9.為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為：一種光伏組件串行電阻的求解方法，包括以下步驟：
10.步驟1、獲取光伏組件理想i-v特性曲線的導數表達式；
11.步驟2、獲得二極體的反向飽和電流；
12.步驟3、將二極體的反向飽和電流代入光伏組件理想i-v特性曲線的導數表達式，獲得簡化式；
13.步驟4、獲得光伏組件理想i-v特性曲線的導數處於開路點時的簡化表達式；
14.步驟5、獲取光伏組件實際i-v特性曲線的導數表達式；
15.步驟6、結合光伏組件理想i-v特性曲線的導數表達式和實際i-v特性曲線的導數表達式，獲取實際i-v特性曲線的導數表達式的改進形式；
16.步驟7、獲取光伏組件的i關於v在開路點的導數；
17.步驟8、對光伏組件的i關於v在開路點的導數進行整理和變換，可以得到光伏組件串行電阻。
18.所述步驟1中，所述光伏組件理想i-v特性曲線的導數表達式：
[0019][0020]
其中，i
id
為光伏組件理想等效電路輸出電流，v
id
為光伏組件理想等效電路輸出電壓，io是二極體的反向飽和電流，q是電子電荷(1.6
×
10-19
c)，n是用於修正肖克利方程的理想因數，k是玻爾茲曼常數(1.38
×
10-23
j/k)，t是以開爾文為單位的光伏組件溫度，ns是光伏組件中串聯光伏電池的個數。
[0021]
所述步驟2中，所述二極體的反向飽和電流io的求解方法：
[0022][0023]
其中，i
ph,r
和v
ov,r
是光伏組件在標準測試條件下的光生電流和開路電壓，μi和μv分別是短路電流溫度係數和開路電壓溫度係數，tr是光伏組件參考溫度 (25℃)。
[0024]
所述步驟3中，所述簡化式：
[0025][0026]
所述步驟4中，當光伏組件處於開路點時，v
id
的值等於開路電壓v
oc
，v
oc
的表示式：
[0027][0028]
其中，sr是參考日照強度；
[0029]
結合開路電壓v
oc
的表示式和簡化式，獲得di
id
/dv
id
在開路點的簡化表達式：
[0030][0031]
所述步驟5中，所述光伏組件實際i-v特性曲線的導數表達式：
[0032][0033]
其中，i為光伏組件單二極體等效電路輸出電流，v為光伏組件單二極體等效電路輸出電壓，rs和r
sh
分別是光伏組件的串行電阻和並聯電阻。
[0034]
所述步驟6中，實際i-v特性曲線的導數表達式的改進形式：
[0035][0036]
所述步驟7中，通過將實際i-v特性曲線的導數表達式的改進形式替換為 di
id
/dv
id
在開路點的簡化表達式，獲得光伏組件的i關於v在開路點的導數：
[0037][0038]
所述步驟8中，光伏組件串行電阻rs的求解公式：
[0039][0040]
本發明雖然仍採用解析表達式的方法，但求解的光伏組件串行電阻參數結果與溫度t和日照強度s的大小密切相關，因此求解精度更高，並且工程實現更方便。
附圖說明
[0041]
下面對本發明說明書中每幅附圖表達的內容作簡要說明：
[0042]
圖1為光伏電池的理想等效電路；
[0043]
圖2為光伏電池的單二極體等效電路；
[0044]
圖3為光伏組件kc200gt在不同日照強度下的i-v特性曲線和對應的短路點斜率；
[0045]
圖4為光伏組件kc200gt在不同溫度下的i-v特性曲線和對應的短路點斜率。
具體實施方式
[0046]
下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發明的具體實施方式如所涉及的各構件的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關係、各部分的作用及工作原理、製造工藝及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域技術人員對本發明的發明構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。
[0047]
如圖1所示為光伏電池的理想等效電路，光伏電池在陽光下會產生光生電流i
ph
。同時，由於光伏電池的二極體特性，光伏電池還會產生暗電流id，並與 i
ph
的方向相反。當施加負載時，在光伏電池的接觸電極之間將形成電壓v
id
，並產生相應的電流i
id
。
[0048]
由於二極體的作用，單個光伏電池兩端的電壓為0.5-0.7v，沒有實用價值。因此，光伏組件由ns個串聯的光伏電池組成，其理想i-v特徵表達式如下：
[0049][0050]
通過取光伏組件理想i-v特性表達式的導數，可以得到下式：
[0051][0052]
其中，i
id
為光伏組件理想等效電路輸出電流，v
id
為光伏組件理想等效電路輸出電壓，io是二極體的反向飽和電流，q是電子電荷(1.6
×
10-19
c)，n是用於修正肖克利方程的理想因數，k是玻爾茲曼常數(1.38
×
10-23
j/k)，t是以開爾文為單位的光伏組件溫度，ns是光
伏組件中串聯光伏電池的個數。
[0053]
對於一個真正的光伏電池，少量的能量會耗散在接觸電阻和光伏電池邊緣的漏電流上，其效果相當於兩種寄生電阻：串行電阻rs和並聯電阻r
sh
。因此，基於光伏電池的理想等效電路，結合兩種寄生電阻，可以得到光伏電池的單二極體等效電路，如圖2所示。
[0054]
根據圖2的等效電路，即根據光伏電池的單二極體等效電路，光伏組件的實際i-v特徵表達式如下：
[0055][0056]
通過對實際i-v特性表達式取導數，可以得到下式：
[0057][0058]
而io最常見的計算公式如下式：
[0059][0060]
其中tr是光伏組件的參考溫度(25℃)，i
o,r
是參考溫度下的io值，eg是材料的帶隙能量。由於eg不是由光伏組件製造商提供的，其求解方法相對複雜。在 i
o,r
的基礎上，引入電流和電壓的溫度係數μi和μv來表徵io對溫度的依賴性，因此得到io的表達式如下式：
[0061][0062]
其中，i
ph,r
和v
ov,r
是製造商提供的標準測試條件(日照強度s為1000w/m2， t為25℃)下的光生電流和開路電壓。
[0063]
在io的表達式中，q/k的值約為11594。n的值一般在1～2之間，t的值一般在293.15～353.15k之間。v
ov,r
和ns的值通常在10到100的數量級範圍內。因此，io表達式右側分母的第一項遠大於1。則io表達式可以簡化為下式：
[0064][0065]
將io表達式代入光伏組件理想i-v特性曲線的導數表達式，並通過整理，下式可以被得到：
[0066][0067]
當光伏組件在短路(sc)點，v
id
值為0，因此可知下式是成立的：
[0068][0069]
此外，從光伏電池的理想等效電路圖1和單二極體等效電路圖2可知，下式也是成立的：
[0070]vid
＝v+irs[0071]
因此，實際i-v特性表達式的導數可以重寫為下式：
[0072][0073]
對於光伏組件，rs一定比r
sh
小得多。當光伏組件位於短路點時，通過等式組合，下式可以被得到：
[0074][0075]
從上式可以看出，對於光伏組件的單二極體模型，其在短路點的i-v曲線的導數僅與r
sh
有關。換言之，r
sh
通過短路點處光伏組件i-v曲線的導數求解，不會產生實質性的參數誤差。對於多晶矽光伏組件kc200gt，通過其在不同溫度和日照強度下的i-v特性曲線和相應的短路點斜率可以看出，在短路點的斜率幾乎是平行的。這意味著短路點處i-v特徵曲線的導數與溫度和日照強度的變化無關，這也驗證了上式的正確性。因此，對於特定類型的光伏組件，不同溫度和日照強度下的i-v特性曲線在短路點附近幾乎都是平行的。
[0076]
當光伏組件處於開路(oc)點時，v
id
的值等於開路電壓v
oc
，而v
oc
可以通過下式來求解：
[0077][0078]
其中，sr是參考日照強度(1000w/m2)。
[0079]
將v
oc
的求解表達式代入di
id
/dv
id
的表達式，通過整理，下式可以被得到：
[0080][0081]
將di/dv表達式中的di
id
/dv
id
替換為上式，可以得到光伏組件的i關於v在開路點的導數:
[0082][0083]
毫無疑問，r
sh
遠大於1，因此上式可以簡化為：
[0084][0085]
如果上式右邊分母的第一項遠大於1，則上式可進一步簡化為下式：
[0086][0087]
上式被很多文獻採用作為rs的計算公式。然而，在許多情況下，這種假設是站不住腳的，因此通過上式計算的rs將產生很大的誤差。
[0088]
但是，通過對的表達式進行整理和變換，可以得到本發明提出的rs求解公式：
[0089][0090]
比較上面兩種不同的rs求解公式，我們可以發現本發明的求解公式比前一個rs求解公式多了一項，並且該項的值與溫度t和日照強度s的大小密切相關，因此本發明的求解公式的精度高了很多。
[0091]
上面結合附圖對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現並不受上述方式的限制，只要採用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本發明的保護範圍之內。