光伏發電系統仿真建模與光伏遮擋發電效率分析

劉嬌嬌

(上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 閔行 201100)

隨著光伏發電技術的發展，光伏發電正面向全球化、商業化的大規模應用，特別是2022年隨著政府補貼力度的加大，光伏產業可能會迎來大發展階段，在農村，利用屋頂、陽臺等區域搭建的小型的分布式光伏發電系統逐漸增多。然而由于氣象環境對光伏電池電力輸出的影響較大，在設計光伏發電系統過程中，對光伏系統進行仿真分析，光伏發電系統模型的準確度對于系統的可行性、可靠性、經濟性十分必要。

1 光伏模型參數

1.1 參數分析

光伏電池單二極管等效電路模型的輸出伏安特性為：

式中：V為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；IRs為光生電流源電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量1.602×10-19C；K為玻爾茲曼常數，1.831×10-23J/K；T為光伏電池工作絕對溫度值；A為二極管特性擬合系數；Rs為光伏電池串聯電阻；Rsh為光伏電池的并聯電阻[2]。

光生電流Iph是光照強度和電池溫度的函數，可以表示成：

式中：S為實際輻照度（W/m2）；Sref為標準條件下輻照度；Tref為標準條件下光伏電池工作絕對溫度；CT為溫度系數，A/K；Iphref為標準條件下光生電流值[3]。

二極管飽和電流隨著電池溫度的變化而變化，滿足關系式：

式中：Isref為標況下二極管飽和電流；Eg為禁帶寬度，與光伏電池材料有關[4]，計算公式分別為：

式中：ISCref為光伏的參考短路電流；VOCref為光伏的參考開路電壓；VT=mKT/q。

由于單個光伏電池的輸出功率較小，為此將光伏電池串、并聯可構成光伏模塊[4]，其輸出電壓可提高到十幾至幾十V；光伏模塊又可經串、并聯后得到光伏陣列，以獲得更大的輸出功率。當光伏模塊通過串、并聯組成光伏陣列時，通常認為串并聯在一起的光伏模塊具有相同的特征參數[4]，與單二極管等效電路圖對應的光伏陣列等效電路如圖1所示。

圖1 單二極管模型光伏陣列的等效電路

圖1給出的等效電路的輸出電壓和電流的關系如式6所示，其中Ns和Np分別為串聯和并聯的光伏電池的個數。

由上面的公式可知，光伏陣列的輸出電壓和輸出電流具有非線性關系，并且隨光照和溫度的變化而變化[4]。后文所搭建的光伏電池模型，均基于上述公式，單晶與多晶光伏的不同主要體現在串并聯數上。

2 仿真模型

在實際建模過程中，在光伏等效電路公式（1）～（6）的基礎上，可以通過兩點近似作相應的模型簡化：

設定，這是因為在通常情況下Rs遠小于二極管正向導通電阻[5]。

忽略并聯內阻Rsh，這是因為在實際的光伏等效電路中該電阻相對于其他等效的其他電阻阻值要大很多，因此近似該支路是斷路的，實際的建模過程中這個電阻可以被忽略掉，對最終的光伏模型是沒有影響的。

由于本文中單晶硅光伏采用通用二極管等效電路模型，下文是單晶硅光伏電池的仿真模型。單晶硅光伏采用19組串聯，7組并聯的結構，模型采用單二極管模型光伏陣列的等效電路，根據公式（1）～（6）作以上兩點簡化之后可知，可將光伏等效電路等效為兩個方向相反的可控電流源并聯組成電源系統：

基于Simulink搭建的光伏電池模型如圖2所示。

圖2 光伏電池模型

針對上海電氣中央研究院微電網示范工程中的單晶硅光伏和多晶硅光伏，本文均采用單二極管等效電路模型進行建模，根據公式（1）～（6）可知，光伏等效電路數學模型中有許多須要整定的參數，以下是根據所給的光伏組件參數以及研究院實際測試情況所整定出的搭建單晶硅、多晶硅光伏模型時所須的各種光伏的建模參數如表1所示。

表1 光伏模塊參數

3 仿真與實際數據對比分析

根據中央院屋頂實際的環境情況，做出了實際光伏運行曲線，并將仿真結果與實際運行數據進行比較。報告選取了2021年8月5號的運行記錄，選取時間為9:00—16:00，共7 h。每隔10 min記錄一組當前光照、溫度、光伏輸出電壓、光伏輸出電流的數據，從而繪制出輸出電流隨照度和溫度變化曲線，輸出電壓隨溫度和照度變化的曲線等，用以對比分析。

圖3中，黑色粗線為模型仿真后的光伏電壓和電流數據，藍色細實線為光伏電池實際輸出的電壓和電流數據。從圖中可以看出，10:30—16:00，仿真模型和光伏電池實際輸出的電壓和電流數據趨勢基本一致，重合率達到95%以上。9:30—10:30仿真模型和實際輸出數據差距稍大，分析原因主要是在這個時間段，部分光伏電池收到了遮擋，由于環境測量儀處采集的數據是局部的輻照數據，因此在部分光伏電池收到遮擋時，仿真和實際數據有一定差距，下面章節分析光伏遮擋影響實驗分析。

圖3 仿真與實際電壓和電流對比圖

4 光伏遮擋影響實驗分析

光伏板遮擋對光伏陣列輸出功率影響很大。在2022年3月25日13:30，光照強度較高，對上海電氣中央研究院微電網示范工程中的樓屋頂光伏板進行了遮擋實驗。

4.1 光伏遮擋情況分析

實驗過程如下：首先記錄沒有任何遮擋時的光伏板輸出功率；遮擋住一塊單晶光伏板，記錄單晶光伏陣列發電功率；遮擋住同一個陣列的兩塊單晶光伏板，記錄單晶光伏陣列發電功率；依次遮擋住3塊、4塊、5塊光伏板，記錄單晶光伏陣列發電功率；遮住兩個不同單晶光伏陣列各一塊光伏板，記錄單晶光伏陣列發電功率；對光伏板進行清洗，記錄清洗后的光伏輸出功率。

實驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 分別遮擋1～5塊光伏板時單晶光伏輸出功率

圖5 兩個光伏陣列各遮擋1塊光伏板功率變化

以上光伏實驗分析時有幾點說明：由于實驗過程中，太陽照射角度在不停變化，因而隨著時間的推移，發電功率是逐漸降低的。通常在10 min內光伏發電功率不變，采用變化功率與原發電功率比例進行分析。

根據圖4分析，沒有遮擋時發電功率為19 kW，遮擋一塊后，光伏輸出功率變為18.5 kW；遮擋兩塊后，輸出功率變為17.8 kW；由于遮擋3、4塊過程中，功率跳動較大；當遮擋5塊光伏板后，單晶光伏陣列輸出功率為17 kW。由于遮擋的均為同一個光伏陣列，因而可以認為其他光伏陣列的輸出功率不變，遮擋工況會單獨影響這一列光伏輸出功率。中央研究院光伏發電共有7個串聯陣列，每個光伏陣列有19塊光伏板，因而可以近似認為每一個串聯陣列的輸出功率為2.714 kW。遮擋一塊時，輸出功率減少0.5 kW，整個光伏串聯陣列輸出功率降至81.56%；遮擋兩塊時，輸出功率減少1.2 kW，輸出功率降低至55.78%；遮擋5塊光伏板時，輸出功率減少2 kW，輸出功率降低至26.31%。因而可以看出，光伏板遮擋住10%（一共19塊串聯，遮住兩塊），輸出功率僅為當前無遮擋時的55%，幾乎降低了一半，當遮擋住25%時，輸出功率也僅為無遮擋時的26%，因而光伏遮擋對串聯光伏陣列的影響很大。

根據圖5分析，當兩個陣列各遮擋住一塊光伏板后，輸出功率降低了1 kW，可以近似認為每一個光伏陣列輸出減少了0.5 kW，總損失功率為二者相加，與圖9的分析結果相吻合。因此，遮擋情況按被遮擋光伏板所在的串聯光伏陣列分析，然后將各串聯陣列遮擋情況相加，得到所有光伏發電的遮擋影響。

5 仿真模型修正

5.1 仿真參數影響分析

影響光伏輸出的主要模型參數有3個：光伏組件的短路電流、開路電壓和光伏組件的等效串聯電阻。這3個參數也是將單晶硅與多晶硅光伏模型區分開來的重要參數。

經過反復的仿真嘗試與參數修改，得到了開路電壓、短路電流、串聯電阻這3個參數對光伏輸出功率、最大功率點對應的輸出電壓、最大功率點對應的輸出電流有影響。

當光伏組件開路電壓增大時，光伏輸出功率增大，最大功率對應的電壓增大，對應的電流不變；當短路電流增大時，光伏輸出功率增大，對應的最大功率點電壓降低，對應的電流增加；等效串聯電阻增加時，光伏輸出功率不變，最大功率對應的電壓降低，對應的電流功率不變。從這個過程可以得到以下結論：最大功率點對應的電流值由光伏組件的短路電流決定；最大功率點對應的電壓值主要由光伏組件的開路電壓決定，同時受到短路電流和阻抗的影響；輸出功率受3個因素共同作用。

5.2 仿真模型參數修改

根據以上結論，可以對仿真中的光伏參數進行修改，使其與實際發電情況更為接近。經過反復試驗，現在將單晶硅光伏仿真模型參數修改如表2所示。

表2 單晶光伏參數修改

修改參數，減小短路電流，使得最大功率降低；同時降低開路電壓，進一步降低最大功率。在降低輸出功率的同時，又須要保持輸出曲線的變化趨勢，因此輸出阻抗最好不變。參數修改后的輸出曲線與實際測得的數據比較接近，輸出曲線如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 修改后的單晶光伏輸出功率

圖7 修改后的單晶光伏最大功率點對應電壓

圖8 修改后的單晶光伏最大功率點對應電流

光伏仿真與實際工況須要對比最重要的量是輸出功率。從圖11可以看出，修改后的單晶硅光伏模型更接近仿真上海電氣中央研究院示范工程中實際的光伏實際輸出數據。

6 光伏封裝參數

6.1 光伏建模的關鍵參數

經過本文的分析，決定光伏模塊封裝的變量有5個。Isc：光伏組件的短路電流；Voc：光伏組件開路電壓；Rs：光伏組件的等效串聯電阻；Ns：光伏組件串聯數；Np：光伏組件并聯數。

根據上海電氣中央研究院微電網示范工程中的光伏參數，給出單晶硅參數值如表3所示。

表3 單晶光伏參數表

7 結束語

安裝的單晶光伏系統輸出功率不高，是多方面因素造成的。環境條件和光伏板遮擋是主要原因。上海地區的光照條件不如我國西北、東北等地區。從8月5日的實測數據來看，光照強度最大值也沒有達到1000 W/m2。這個數據說明大部分時間里，光伏都沒有運行在標準光照條件下，光照條件不是很好。環境測量儀測量的溫度一直高于標準溫度25℃，溫度的升高會使輸出功率降低。中央研究院示范工程光伏存在遮擋的情況，光伏發電有這樣的特性，由于光伏陣列是由光伏模塊串并聯組成的，因此一個光伏陣列有幾塊光伏板被遮擋住，就相當于整個光伏陣列串聯了一個很大的電阻，會嚴重影響輸出功率。也就是說，光伏陣列的部分遮擋也會嚴重影響整體的輸出功率。

搭建的光伏模型可以通過修改短路電流、開路電壓及等效串聯電阻來改變輸出功率，及輸出功率點對應的電流和電壓值。

建立的仿真模型可以較好的反映光伏輸出特性，響應快速，與實際光伏輸出特性一致，可以用于分布式微電網系統的仿真分析。