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弱光性能参数优化

PVsyst软件组件弱光性能参数的优化探讨

2015-03-25天合光能光伏能源

摘要：

组件弱光损失是组件在弱光条件下转换效率的降低带来发电量的损失，不同类型的组件产品由于电池片制造技术的不同其弱光性能的表现会有一定的差异，对弱光性能有重要影响的两个参数为组件串联电阻值Rs和并联电阻值Rsh。

由于光伏组件的理论模型较为复杂，对其输出特性的研究一般采用仿真实验的模式，目前PVsyst仿真建模在弱光参数的设置上默认以该软件自身提供的实验数据和美国Sandia数据作为根底，但在实际建模过程中发现，使用默认的数据和预期的结果存在一定的差异，因此不能很准确地反映真实的弱光性能。

在此前提下本文基于多晶组件弱光200W/m2条件下的第三方测试数据，尝试对组件PAN文件中的参数进展优化调整，使得在弱光下的发电量预测更加准确，除此，文中参考PVsyst用户手册展示了Rs和Rsh优化调整的方法。

在标准测试条件下〔STC〕太阳能模拟器的光强为1000W/m2，而大局部地区户外的实际辐照度都要小于这个值，一般将辐照度低于1000W/m2的光照定义为弱光。

比方图1为地区年水平辐照强度的分布，可以看出辐照度低于200W/m2约占38.18%，在400-600W/m2之间约占20%，600-800W/m2约占11%，所以光伏系统全年发电量的大小就取决于组件在弱光下的发电能力，尤其对于辐照度水平较低的国家和地区。

晶硅组件在弱光下主要表达在电池片的开路电压Voc的降低，进而导致电池片的效率降低，如图2为不同并联电阻值的多晶组件在户外测试条件下Voc随辐照的变化趋势，组件并联电阻越低，Voc下降幅度越大，当并联电阻值在141Ω或220Ω左右时Voc降低不明显，即使降到50W/m2-100W/m2一般只减少2V左右。

从图2的结果也从侧面说明了一样功率的不同组件在STC条件下的转换效率可能有很小的差异，但是由于并联电阻不同，在200W/m2下可能就有很大差异。

其中Rsh是影响组件弱光性能的一个重要参数，另外还包括串联电阻值Rs和二极管理想因子，因为二极管理想因子和Rs相互关联，Rs值改变后，二极管理想因子也会随着改变，所以本文主要探讨Rsh和Rs这两个参数对组件弱光性能的影响以及优化调整的方法。

图1地区年水平辐照度分布〔%〕〔数据来源：

Meteonorm6.1气象软件〕

图2弱光下多晶组件的Voc随太阳辐照的变化趋势〔地区〕

1、串联电阻值对弱光性能的影响

在PVsyst模型中，组件实际测试的串联电阻值被定义为SeriesResistance〔apparent〕，简写为Rs〔apparent〕，而SeriesResistance〔module〕为单二极管模型有关的电阻值，简写为Rs〔module〕，这个值无法从组件的Datasheet得到，一般需要根据实际情况进展调整。

以XXX-240P多晶组件为例，在PVsyst默认的组件PAN文件参数里面，该组件标准测试条件下的Rs〔apparent〕值为0.48Ω，Rs〔module〕为0.281Ω，标准测试条件下并联电阻值Rsh〔Gref〕为250Ω。

现将Rsh〔Gref〕固定为250Ω，Rsh〔0〕默认为Rsh（Gref）的4倍，Rsh〔exp〕=5.5，这里的Rsh〔0〕和Rsh〔exp〕会在第三局部详细说明，假设Rs〔module〕值分别取为0.35Ω和0.413Ω，和默认的0.281Ω进展比拟，使用PVsyst软件可得到不同辐照度下组件的峰值功率和NOCT条件下组件的峰值功率Pmax，结果参考表1。

表1XXX-240P组件在不同Rs〔module〕值和不同辐照度下的Pmax比拟〔Rsh〔Gref〕=250Ω〕

200

46.8

47.9

45.6

400

95.9

97.4

94.3

600

144.8

146.2

143.2

800

193

193.9

192

1000

240

240.1

240.1

PmaxatNOCT（W）

177.1

178

176.1

图3为不同Rs〔module〕值在不同辐照下的相对STC时转换效率，从表1和图3模拟结果可知，和默认值0.281Ω相比，适当提高组件的Rs〔module〕值，可以提升弱光下的输出性能。

图3不同Rs〔module〕值在不同辐照下的相对STC转换效率比拟〔Rsh〔Gref〕=250Ω〕

表2为基于地区不同Rs〔module〕的组件系统弱光损失比照，当Rs〔module〕以0.005Ω微小变化时，弱光损失的变化幅度约在0.1%左右，即说明了Rs〔module〕的微小变化对弱光损失的影响很大。

表2XXX-240P组件系统取不同Rs〔module〕值的全年弱光损失比拟〔Rsh〔Gref〕=250Ω，Pm=96kW〕

弱光损失

0.90%

1%

1.10%

1.30%

1.40%

1.50%

1.60%

1.70%

1.90%

2、并联电阻值对弱光性能的影响

仍以XXX-240P为例，当Rs〔module〕固定为0.35Ω不变，Rsh〔Gref〕分别取为200Ω，400Ω，600Ω和1000Ω，Rsh（0）是Rsh（Gref）的4倍，Rsh〔exp〕=5.5，使用PVsyst软件可得到不同辐照度下的峰值功率和NOCT条件下功率Pmax，结果参考表3。

表3XXX240P组件在不同Rsh〔Gref〕值和不同辐照度下Pmax比拟〔Rs〔module〕=0.35Ω〕

200

46.6

47

47.2

47.3

400

95.6

96.2

96.4

96.6

600

144.6

145.1

145.3

145.4

800

192.8

193.1

193.2

193.3

1000

240.1

240.1

240.1

240.1

PmaxatNOCT（W）

177

177.2

177.3

177.4

图4为组件转化效率及其相对STC时效率，从模拟结果可知提高并联电阻后，弱光性能有一定的改善，但是提升幅度非常小。

图4不同Rsh（Gref）值对应的相对STC弱光效率比照〔Rs〔module〕=0.35Ω〕

表4为不同Rsh〔Gref〕值的组件系统在地区的弱光损失比照，当Rsh〔Gref〕较低时，100Ω-200Ω以下对弱光损失的影响在1%-2%之间，当大于200Ω，Rsh〔Gref〕值越大，弱光损失的比例越小，综合以上数据不难发现，在PVsyst模型中，我们得到一个重要结论：

串联电阻值对弱光的影响程度要大于并联电阻值。

表4XXX-240P组件系统取不同Rsh〔Gref〕值的全年弱光损失比拟〔Rs〔module〕=0.35Ω，Pm=96kW〕

弱光损失

2%

1.60%

1.60%

1.40%

0.9%

0.8%

0.6%

0.5%

0.4%

0.3%

0.2%

除了Rsh〔Gref〕值外，我们再分析Rsh（0）的影响，假设Rsh〔Gref〕=250，Rsh〔exp〕=5.5，Rs〔module〕=0.35Ω，Rsh（0）是Rsh（Gref）的N倍，当N取不同的值时，得到弱光损失结果如表5所示，当N取值越高，弱光损失越小。

表5不同Rsh（0）下的弱光损失〔Pm=96kW〕

弱光损失

2.700%

1.800%

1.300%

0.900%

0.700%

0.500%

0.300%

同样的，保持其他参数不变，也可以得到Rsh〔exp〕变量对弱光的影响，参考表6。

表6Rsh〔exp〕对弱光损失的影响〔Pm=96kW〕

弱光损失

2.7%

0.0%

0.1%

0.2%

0.4%

0.5%

0.6%

0.7%

0.8%

0.9%

3、PVsyst弱光参数的优化调整方法

在光伏系统设计时一般需要通过PVsyst软件进展发电量的模拟，该软件部集成了大局部厂家的组件数据库，每种功率规格的组件对应一个PAN文件。

最新的版本6系列比老版本5有了较大的修正，模拟结果也比老版本更加准确，尤其在弱光性能局部添加了Rsh〔Gref〕、Rsh〔0〕、Rsh〔exp〕和Rs〔module〕四大参数的自定义调整功能，设计人员可以基于实测数据进展修改。

当然软件自身也设置了默认值，对于晶硅组件默认的Rsh（exp）为5.5，Rsh（0）是Rsh（Gref）的4倍，这些数据是PVsyst研究人员基于实测的大量数据分析得到的。

据PVsyst官方介绍，按照IEC-61853-1测试方法，基于不同辐照下的大量实测数据显示，晶硅组件的相对转换效率在600W/m2-800W/m2辐照区间比STC条件下约降低0.5%至1%，在200W/m2降低1%-3%左右。

其实，对于大多数设计人员，假设仅仅知道组件的Datasheet上的根本电性能参数很难去评估组件的弱光性能，使用默认参数模拟下来的弱光损失比拟高，如果组件供给商能给用户提供比拟准确的弱光数据，设计人员可以根据PVsyst的修正功能进展调整，可得到更加准确的组件PAN文件，如果实在没有方法获得这些数据，也可以根据PVsyst研究人员得到的经历值来估算。

下文以XXX-240P组件为例并参考PVsyst用户使用手册详细介绍弱光参数的调整方法[2]。

3.1并联电阻值参数的调整方法

PVsyst软件是根据单二极管等效电路模型对电池和组件的性能进展模拟，参考图5。

图5Pvsyst软件所使用的单二极管模型

其中描述单二极管模型的电流和电压的输出关系表达式如〔1〕所示。

〔1〕

式中IL为光生电流〔A〕，I0为二极管反向饱和电流〔A〕，n为二极管理想因子。

相关研究成果说明〔Mermoud和Lejeune，2010；Eikelboometal.,1997）：

组件并联电阻值和入射光强有一定的关系，当入射光强降低后，并联电阻随光强成指数变化，公式如〔2〕所示[2]。

Rsh=Rsh（Gref）+[Rsh（0）-Rsh（Gref）]·exp（-Rsh（exp）·（G/Gref））〔2〕

其中

Rsh（Gref）为STC下测试的并联电阻值。

Rsh（0）为辐照为0时的并联电阻值〔在曲线上为Y轴的截距〕。

Rsh（exp）：

表征并联电阻值随辐照变化的其中一个变量。

G为实际的太阳辐照度；Gref为标准测试条件下光强1000W/m2。

图6为Rsh（exp）取不同的值时，对公式〔2〕进展曲线绘制，其中Rsh（Gref）=250Ω，Rsh（0）=1000Ω，当辐照降低时并联电阻值会增加。

图6不同Rsh〔exp〕下Rsh随辐照的变化关系〔Rsh（Gref）=250Ω，Rsh〔0〕=1000Ω〕

在弱光模型中Rsh（Gref）、Rsh（0）和Rsh（exp）值是可以根据实际情况进展调整，其中Rsh（Gref）为STC下测试的值。

目前对于Rsh（Gref）的实际测试有太阳能模拟器的I-V测试法〔STC〕、DarkReverseI-V测试法、ExternalParallelResistance测试法等，从行业相关研究文献[1]可知，一般使用太阳能模拟器测试出来的结果会明显偏低，原因是电流微小变化时，从IV曲线上获取Rsh（Gref），太阳能模拟器缺乏足够的测试和计算精度。

图7为对250个XXX240-60P组件样品使用太阳能模拟器〔AAA级光谱〕测试出来的Rsh〔Gref〕值分布，平均值约200Ω左右，在软件中Rsh〔Gref〕值一般设置大于平均测试值，笔者认为默认的250Ω还是比拟保守的。

图7250个样品组件Rsh测试值分布〔STC〕

图8为XXX240-60P组件在PVsyst模型中默认的值以及Rsh和辐照度的变化关系，Rsh（0）和Rsh（exp）是根据不同辐照下的Rsh值进展拟合得到。

图8PVsyst中默认的Rsh〔0〕和Rsh〔exp〕值

Rsh（0）和Rsh（exp）值的调整如图9所示，比方在不同的弱光下得到了4个Rsh测试值，通过左下方的Fit工具可看到Rsh（0）和Rsh（exp）值已经变为979Ω和3.9。

由于缺乏实际测试数据，对XXX240-60P组件，Rsh仍采用默认值，这里介绍其调整方法，具体操作可参考PVsyst用户手册[2]。

图9Rsh〔0〕和Rsh〔exp〕的调整方法

3.2、串联电阻值参数的优化调整方法

在PVsyst软件中未提到串联电阻值Rs和辐照度的变化关系，相关文献中[3][4]给出了晶硅电池串联电阻值随着辐照变化的趋势，从图10可知当辐照降低时，电池的串联电阻也有微小的变化，同时和Rsh的比照可知，Rs降低幅度比Rsh要小很多。

图10电池并联电阻值和串联电阻值随辐照变化关系[3]〔单位：

1suns代表200mW/m2〕

Rs〔module〕的调整参考图11定义窗口，默认提供了两种输入模式，第一种只需要输入组件在不同光强和温度下的相对STC条件转换效率〔可选800,600,400and200W/m²和25°条件〕，第二种模式是输入具体的光强、温度、Isc、Voc、Impp和Vmpp值，参考图12。

图11Rs〔module〕弱光参数定义窗口

图12Rs〔module〕弱光参数定义输入窗口

以XXX240-60P多晶组件为例，参考第三方权威测试机构提供的低辐照测试结果〔测试条件：

200W/m2，25℃，AM1.5〕，在200W/m2下的电性能参数如表7所示，将Vm、Im、Isc和Voc输入到PVsyst软件，同时软件自动计算在200W/m2时的转换效率和其相对于STC下的转换效率，其衰减比例为2.76%，完成后如图13所示，点击“OPtimizeRs〞可获得Rs〔module〕值，软件自动进展拟合得到Rs值为0.345Ω，同时600-800W/m2辐照区间的弱光损失结果显示0.5%以。

表7第三方测试机构提供的低辐照测试结果

XXX240-60p

46.9

29.55

1.588

34.81

1.684

图13Rs〔module〕优化结果

4、优化后不同辐照下的电性能模拟结果和弱光损失比例

上文对XXX240-60P多晶组件的弱光参数优化，Rsh缺少相关数据仍保存为默认值，根据第三方测试数据对Rs〔module〕进展了优化，表8为优化后该组件在不同辐照度下和25℃条件的模拟结果，200W/m2时的数据根本上和第三方的测试结果较为吻合。

表8优化后的结果〔Rs〔module〕=0.345Ω，Rsh〔Gref〕=250Ω，

Rsh〔0〕=1000Ω，Rsh〔exp〕=5.5，Tm=25℃〕

200

46.7

29.20

1.60

34.42

1.73

300

71.20

29.55

2.41

35.04

2.60

400

95.70

29.76

3.22

35.48

3.47

500

120.25

29.82

4.03

35.83

4.34

600

144.64

29.82

4.85

36.11

5.20

700

168.87

29.80

5.67

36.35

6.07

800

192.87

29.78

6.48

36.56

6.94

900

216.62

29.69

7.30

36.74

7.80

1000

240.05

29.57

8.12

36.90

8.67

紧接着基于地区的气象数据，使用该组件对优化前后的两种情况进展发电量模拟，如图14和图15所示，优化前弱光损失比例在2.3%，优化后在1.0%，这个值的大小也和当地的全年辐照情况有关，在不同的地区会有差异，参考表9。

图14Rs〔module〕优化前弱光损失〔基于地区的气象数据〕

图15Rs〔module〕优化后弱光损失〔基于地区的气象数据〕

表9优化后不同地区的弱光损失比拟

弱光损失

0.3%

0.5%

0.7%

0.8%

1%

1.1%

1.7%

2.1%

5、讨论和问题

文中结合PVsyst6软件详细分析了并联电阻值和串联电阻值对弱光性能的影响，模拟结果说明PVsyst6模型中并联电阻较大时〔在200Ω以上〕对弱光的影响较小，如地区约为0.5%左右，而串联电阻的微小变化对弱光性能的影响较大，所以该软件研究弱光性能的重点也放在了串联电阻上面。

文中介绍了四个弱光参数Rs〔module〕、Rsh〔Gref〕、Rsh（0）和Rsh〔exp〕的优化方法，并根据现有的样本实测数据对某组件的Rs进展了优化，有助于提高该组件在弱光性能预测时的准确性。

优化的前提最好利用来自将用于安装使用的实际组件所获得的弱光测试数据，当然数据要按照规测试得到并有一定的可信度。

PVsyst软件给设计人员带来了很多帮助，但笔者觉的模型还有待完善之处，如串联电阻对弱光是一个关键因素，相关研究文献已提到串联电阻值和辐照的变化关系，但在PVsyst6模型中对两者之间的关系还尚未提及，笔者相信以后随着版本的更新会得到解决。

〔来源：

"光能"杂志，建国〕