弱光性能参数优化

1、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，对其输岀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数据作为基础，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

2、件弱光200W/m 2条件下的第三方测试数据，尝试对组件PAN文件中的参数进行优化调整，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/m 2，而大部分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/m 2的光照定义为弱光。比如图 1为南京地区年水平辐照强度的分布，可以看岀辐照度低于200W/m 2约占38.18%，在400-600 W/m 2之间约占20%，600-800 W/m 2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

3、于辐照度水平较低的国家和地区。晶硅组件在弱光下主要体现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141 Q或220 Q左右时Voc降低不明显，即使降到50 W/m 2-100W/m 2 一般只减少 2V左右。从图2的结果也从侧面说明了相同功率的不同组件在STC条件下的转换效率可能有很小的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Rs

4、h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南京地区年水平辐照度分布（%）（数据来源：Mete on orm6.1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（南京地区）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Series Resista nee(appare nt ), 简写为Rs ( apparent )，而SeriesResistanee ( 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行调整。以XXX-240P多

5、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0.48 Q，Rs ( module )为0.281 Q，标准测试条件下并联电阻值Rsh(Gref )为 250 Q。现将 Rsh (Gref )固定为 250 Q，Rsh (0)默认为 Rsh(Gref)的 4 倍，Rsh (exp ) =5.5， 这里的Rsh (0)和Rsh (exp )会在第三部分详细说明，假设Rs (module )值分别取为 0.35Q和0.413 Q,和默认的0.281 Q进行比较，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

6、下组件的峰值功率Pmax，结果参考表1。表1 XXX-240P 组件在不同 Rs ( module )值和不同辐照度下的Pmax比较(Rsh ( Gref ) =250Q)Irrad.Rs (module ) =0.35 QRs (module ) =0.413 QRs (module ) =0.281 Q(W/m 2)Pm (W)Pm (W)Pm (W)20046.847.945.640095.997.494.3600144.8146.2143.2800193193.91921000240240.1240.1Pmax atNOCT(W)177.1178176.1图3为不同Rs ( modul

7、e )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 0.281 Q相比，适当提高组件的Rs ( module )值，可以提升弱光下的输出性图3不同Rs ( module )值在不同辐照下的相对STC转换效率比较(Rsh (Gref ) =250 Q)表2为基于南京地区不同Rs (module )的组件系统弱光损失对比，当Rs ( module )以0.005 Q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 )的微小变化只寸弱光损失的影响很大。表2 XXX-240P 组件系统取不同 Rs( module )值的全年弱光损失比较(Rsh

8、 ( Gref ) =250Q, Pm=96kW )Rs (module(Q)0.350.3450.340.3350.330.3250.320.3150.305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 0.35 Q不变，Rsh (Gref )分别取为 200 Q, 400 Q, 600 Q和 1000 Q, 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

9、下功率Pmax，结果参考表3。表3 XXX240P 组件在不同 Rsh ( Gref )值和不同辐照度下Pmax比较(Rs ( module ) =0.35Q)Irrad.Rsh (Gref) =200 QRsh (Gref) =400 QRsh (Gref ) =600 QRsh (Gref) =1000 Q(W/m 2)Pm (W)Pm (W)Pm (W)Pm (W)20046.64747.247.340095.696.296.496.6600144.6145.1145.3145.4800192.8193.1193.2193.31000240.1240.1240.1240.1Pmax at

10、NOCT(W)177177.2177.3177.4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 定的改善，但是提升幅度非常小。9 91an(GrefF250Q(Gref )=2000tRsh(GFef)=400fi -Rsh(Gref)=600Q 一Fi&h(Gref)=1000G Rs图4不同Rsh(Gref)值对应的相对 STC弱光效率对比(Rs (module ) =0.35 Q)表4为不同Rsh (Gref )值的组件系统在南京地区的弱光损失对比，当Rsh (Gref )较低时，100 Q-200 Q以下对弱光损失的影响在1%-2% 之间，

11、当大于 200 Q，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较(Rs ( module ) =0.35 Q，Pm=96kW )Rsh ( Q)1201501601802003003504005006001000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

12、) =250 ，Rsh (exp )=5.5，Rs (module ) =0.35 Q，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 )倍数N1 234567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6 Rsh ( exp )对弱光损失的影响(Pm=96kW）Rsh （exp）11.522.533.544.555.5弱光损失2.7%0.0

13、%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软件进行发电量的模拟，该软件内部集成了大部分厂家的组件数据库， 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，尤其在弱光性能部分添加了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行修改。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

14、，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/m 2-800 W/m 2辐照区间比 STC条件下约降低 0.5%至1%，在200 W/m 2降低1%-3%左右。其实，对于大多数设计人员，若仅仅知道组件的 Datasheet上的基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较高，如果组件供应商能给用户提供比较准确的弱光数据，设计人员可以根据PVsyst的修正功能进行调整，可得到更加准确的组件PAN文件，如果实在没有办法获得

15、这些数据，也可以根据PVsyst研究人员得到的经验值来估算。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23.1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行模拟，参考图图5 Pvsyst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。式中Il为光生电流（A），Io为二极管反向饱和电流（ A），n为二极管理想因子。相关研究成果表明（Mermoud和 Lejeune ， 2010 ； Eikelboom et al., 1997):组件并联电阻值和入射光强有一定的关系,当

16、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2Rsh= Rsh(Gref) + Rsh(O) -Rsh(Gref)exp(-Rsh(exp) (G / Gref) (2)其中Rsh（Gref）为STC下测试的并联电阻值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)进行曲线绘制，其中 Rsh(Gref)=250 Q,10501DM9509008500007W650600550450400烦3W)250200- ? ?Qsn eocp =1 2sii : e

17、ip： =1 5 Q莉exp： =2Wsti ； wp； 2.5 g t «xp> -3Qsn Cexp： -3 S 妙 C exp； -4 寸sn . exp： -5 5Qsh . ejtp'- *62韵.ftxp. -BQgJi &xp. -9 1 ft I-T« _JJ?_1j 1星I-T 丄« - l.i -*Tp - * (-9- T*:(1 I-jt彳* * *D 4 J- 4r FJ.a -TtP w*F*Lr<i -i占>/：*.-* A *J®"皇TTf T,-mu-znRsh(0)=1000

18、Q,当辐照降低时并联电阻值会增加。Rsh(Gref)=250 Q, Rsh (0) =1000 Q)图6不同Rsh (exp )下Rsh随辐照的变化关系(在弱光模型中 Rsh(Gref)、Rsh(0)和Rsh (exp)值是可以根据实际情况进行调整，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)、DarkReverse I-V测试法、External Parallel Resista nee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岀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

19、)，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)测试岀来的 Rsh(Gref )值分布，平均值约 200 Q左右，在软件中 Rsh (Gref )值一般设置大于平均测试值, 者认为默认的250 Q还是比较保守的。JOD-icoa-so loo15 rzso图7 250个样品组件 Rsh测试值分布(STC )Rsh(0)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,和Rsh (exp)是根据不同辐照下的Rsh值进行拟合得到。R 曲t - Rsefic 只 S hunt Eptin.

20、7 UfOPCf. GOGlff.EKponential behaviour ot Ash a£ function al incident inadiance.R shunt etcponenlialR常hunt at Ghc = QEzmneruiR parameierDeFauk|l OOO W ohmFitting tool tai known Rsh valuesYou rria fit the e>p. parannetas on a sei of known values. Please creledelete points with right click.图8P

21、Vsyst中默认的 Rsh ( 0)和Rsh (exp )值Rsh(O)和Rsh (exp)值的调整如图9所示，比如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979 Q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。E xpanential behaviouir ol Rasfunction of incident irradiance.,?lRshunt exponentialFfsluint 砂 Ginc = 0Ewponentia

22、l parameterDeFault(973 I- ohm51厂Fitting tool for known Rsh valuesYou mqy fit the 倘p parameters on a set of known values. Please create/delate points 加th right click.Grcid 1C05pts definedR shunt肆 Fit |?Temper coeff.Hshurit - Hsene R Shunt enpon图9 Rsh (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

23、到串联电阻值 Rs和辐照度的变化关系，相关文献中34给岀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的对比可知，Rs降低幅度比 Rsh要小很多。0,0图11 Rs (module )弱光参数定义窗口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, 400 and 200 W/m 2和25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：1 suns代表 200mW/m2)条件)，第二种模式是输入具体的光强、温度

24、、Isc、Voc、Impp和Vmpp值，参考图12同0”占 300020006琮(suns)Relative effic. by respect ! STCValues for the selected operating pointr Hel. efficiency from STCRel. effic |0.00No additional data availableLi Delete'* Define paints EfficienciesEffie, errorsIrrdidnce 2ao-°Lci-light data Measured bV Curve Custo

25、mised I AM | SMordary p-aeterDefinition of Low-light performance dataMove a point by dragging? Add pointW/nu Temperature 5l0Cell 祥 1f/ 壬£ Jx JF r,. 土匕-r匚El匕了匚1才冃匕从Valuei for the selected operating pointIn-adiance 叩°° WAn3Rel. effic -2.76he pTCS AImpp |1.59 ATemperaluie 25.0*C【J Rel. e

26、fficiency horn ST匚Vco I討-创V图12 Rs ( 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/m 2，25 °C, AM1.5 )，在200W/m 2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/m 2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，软件自动进行拟合得到Rs值为0.345

27、 Q,同时600-800W/m 2辐照区间的弱光损失结果显示0.5%以内。表7第三方测试机构提供的低辐照测试结果T=25 C,辐照条件 200w/m 2Module typePmpp(W)Vmpp(V)Impp(A)Voc(V)Isc(A)XXX240-60p46.929.551.58834.811.684Efficiencies (model and points)oRel. efficTC,砌；&Q0 W/m2. 0.44%-6tM)W/m2, 0.42%J+0'C W/m2, -O.SU.-25.0 ZO'C W/H12. -2.75%200400,才 60(Ir

28、radiance8001000Optimise RsRgerie|0.345ohmR丹；hm图13 Rs (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缺少相关数据仍保留为默认值，根据第三方测试数据对 Rs (module )进行了优化，表 8为优化后该组件在不同辐照度下和25 C条件的模拟结果，200W/m 2时的数据基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 ) =0.345 Q， Rsh (Gref ) =250 Q，Rsh (0) =1000 Q，Rsh (exp ) =5.5，Tm=25 °C)20046.729.201.6034.421.7330071.2029.552.4135.042.6040095.7029.763.2235.483.47500120.2529.824.0335.834.34600144.6429.824.8536.115.20700168.8729.805.6736.356.07800192.8729.786.4836.566.94lrrad.(W/m 2)Pmpp (W)Vmpp (V