CN108267639B - 一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，属于新能源与高效节能技术领域。该方法首先根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试外加的直流偏压范围及交流信号的电压幅值范围；然后在无光条件下，对待测量的太阳能电池进行交流阻抗测试：将太阳能电池置于计算得到的直流偏压范围内，同时对太阳能电池添加符合电压幅值范围的交流电压信号；分别测量响应电流最大值和最小值，计算响应电流的幅值，从而得到太阳能电池的并联电阻。本发明可在线测量电池的并联电阻，实时监控工作环境下太阳能电池的健康状态，确定太阳能电池的老化程度，精确估计电站寿命，为电站运维或者估值服务，简单便捷，实用性强。

Description

一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，属于新能源与高效节能技术领域。

背景技术

PN型太阳能电池包括晶体硅类电池和非晶体硅类电池，晶体硅太阳能电池主要分为单晶硅电池和多晶硅电池，非晶体硅类包括III-V族太阳能电池如砷化镓、磷化镓铟、磷化铟等、II-VI族如硒化铟铜、碲化镉等。一般PN型太阳能电池光照下的直流等效模型如图1所示。其中I_ph是恒流源，表示光照下电池产生的光电流；R_s是电池的串联电阻，表示电池的接线电阻及接触电阻；R_sh是电池的并联电阻，也被称为漏电阻，表示因为工艺等原因产生的漏电流的大小。并联电阻与电池的性能密切相关，无论是自然衰减还是特定故障都会引起并联电阻的减小。测量并联电阻可以定位故障，反映太阳能电池的老化程度。

现有的太阳能电池的并联电阻的测量方法一般是基于电池的I-V特性曲线来测量的，如图2所示。图中，横轴和纵轴分别表示太阳能电池的电压及电流；点线表示太阳能电池的I-V曲线；虚线是当电压趋近于零时I-V曲线的切线，其斜率代表并联电阻的大小；实线是当电流趋近于零时I-V曲线的切线，其斜率代表串联电阻的大小。具体实施方法是在稳定光照下，通过改变电池的负载，测量太阳能电池在某一光照强度下的全部或者部分I-V 值，进而由电压近似为零时的曲线斜率求得并联电阻。这种方法需要稳定光照和特定的温度下进行，设备复杂昂贵，并且需要通过斜率近似求得，结果往往会出现较大偏差，目前只能在实验室内进行离线测量，不适于电站环境下使用。截止2016年，中国的新增光伏装机总量34.54GW，累计装机总量为78.1GW，装机总量和增长率均居世界第一。随着光伏产业的蓬勃发展，大量的晶体硅组件被生产并安装于电站中，但由于缺乏有效的太阳能电池在线监控手段，电站处于粗放式的管理状态，造成了极大的资源浪费和财产损失。通过在线测量太阳能电池的物理参数，实时监控电池的运行状态和健康状态，可以快速定位故障，提高运维水平，增加电站的综合效益，这也是未来智能光伏电站的基本要求之一。太阳能电池的并联电阻是表征太阳能电池性能的重要物理参数，可以非常灵敏的反应太阳能电池的老化和故障。我们通过太阳能电池的加速退化实验证明，随着太阳能电池的老化，其并联电阻逐渐减小；另外，当太阳能电池发生隐裂等故障时，太阳能电池的并联电阻也会随之减小。因此，通过在线测量并联电阻，可以准确掌握太阳能电池的老化程度和故障情况，为电池的维护和更换提供依据，提高光伏电站的综合效益。目前尚没有在线测量太阳能电池并联电阻的方法。

发明内容

本发明的目的是为克服传统的太阳能电池并联电阻测量方法在太阳能电站难以实施的不足之处，提出一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法。本发明通过在线测量电池的并联电阻，可以实时监控工作环境下太阳能电池的健康状态，确定太阳能电池的老化程度，精确估计电站寿命，为电站运维或者估值服务，简单便捷，实用性强。

本发明一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试外加的直流偏压范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，且串联的电池数量为a,则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2a≤V_bias≤0.2a，单位为V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联，则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2≤V_bias≤0.2，单位为V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为串并联混合，串联部分包含的电池个数的最大值为b，则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2b≤V_bias≤0.2b，单位为V；

(2)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试的交流信号的电压幅值范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，串联的电池数量为a且a≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤20，单位为mV，否则，设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤2a，单位为mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联,则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m范围为：0＜V_m≤50，单位为mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式是串并联混合，串联部分包含的电池个数的最大值是b，若 b≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为0＜V_m≤20，单位为mV，若b＞10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤2b，单位为mV；

(3)无光条件下，对待测量的太阳能电池进行交流阻抗测试：将待测量的太阳能电池置于步骤(1)中计算得到的直流偏压范围内，同时对太阳能电池添加幅值为V_m交流电压信号，V_m符合步骤(2)中计算的电压幅值范围；

(4)分别测量响应电流最大值I_max和最小值I_min，计算响应电流的幅值：

I_m＝(I_max-I_min)/2

(5)计算得到太阳能电池的并联电阻R_sh＝V_m/I_m。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明提出的一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，不再依赖传统的I-V曲线的测量，不需要昂贵的光源，降低了对测量设备的要求。本发明的测量方法，测量步骤简单，受环境影响小，测量的数据少，计算简单，在生产线和户外环境下都可以很方便的实现。本发明提出的方法在黑暗环境下实施，可以在电站不工作的时候进行测量，不会影响电站的实际运行，是一种可用于太阳能电池参数在线测量的方法，实用性高。

附图说明

图1是光照下PN型太阳能电池在开路时的等效电路示意图。

图2是传统I-V法测量太阳能电池等效电阻的原理图。

图3是本发明方法整体流程框图。

图4是通用型组件的内部太阳能电池的连接结构示意图。

图5是太阳能电池单个RC并联的动态等效模型图。

图6是太阳能电池多个RC并联的动态等效模型图。

图7是太阳能电池动态电阻示意图。

图8是实测的太阳能电池的结电容及动态体电阻示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，整体流程如图3所示，包括以下步骤：

(1)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试需要外加的直流偏压范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，且串联的电池数量为a,则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为(-0.2a≤V_bias≤0.2a)V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联，则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：(-0.2≤V_bias≤0.2)V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为串并联混合，串联部分包含的电池个数的最大值为b，令a＝b，参照串联电路直流的偏压范围选择，即设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：(-0.2b≤ V_bias≤0.2b)V。

太阳能电池可以指单个太阳能电池(整体结构只有一个PN结)，也指多个太阳能电池串联、并联或者串并联混合后组成的电池组。实际应用中，由于单个太阳能电池提供的电压和电流值有限，太阳能电池一般都由多个电池串联或者并联而成。商用化的光伏组件一般由60或者72块太阳能电池串联而成，如图4所示。在电站中，由多个组件并联而成的组串的电路连接方式，是多个太阳能电池先串联再并联的形式。本发明给出的测量方法即可用于单个太阳能电池并联电阻的测量，也可用于多个太阳能电池串联、并联或者串并联混合的电池组并联电阻的测量。

(2)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试的交流信号的电压幅值范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，串联电池数量为a且a≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：(0＜V_m≤20)mV，否则，设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：(0＜V_m≤2a)mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联,则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m范围为：(0＜V_m≤50)mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式是串并联混合，串联部分包含电池个数的最大值是b，参照串联电路交流信号的振幅范围选择，若b≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为(0＜V_m≤20)mV，否则，若b＞10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：(0＜V_m≤2b)mV。

(3)无光条件下，对待测量的太阳能电池进行交流阻抗测试：将待测量的太阳能电池置于步骤(1)中计算得到的直流偏压范围内，同时对太阳能电池添加幅值为V_m交流电压信号，V_m符合步骤(2)中计算的电压幅值范围，交流频率范围在0-10Hz。根据测量设备情况，尽量选择1±0.5Hz的范围，可以增加并联电阻的测量精度。

在实际测试实例中，适当增加频率范围可以减少测量的难度，可将测量频率范围增大至200Hz，这样虽然降低了并联电阻的测量精度，但并联电阻依然是阻抗测量结果中的主要部分，也可以作为工程应用上的参考。

(4)分别测量响应电流最大值I_max和最小值I_min，计算响应电流的幅值：

I_m＝(I_max-I_min)/2

(5)计算得到太阳能电池的并联电阻R_sh＝V_m/I_m。

本发明提出的一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，在特定偏压下及特定频率范围内，通过测量太阳能电池的交流阻抗来近似得到太阳能电池的并联电阻。新的方法不依赖I-V曲线测量，在无光条件下就可以实施，可用于电站环境下太阳能电池或者组件并联电阻的在线测量。测量结果显示，新的测量方法与传统的I-V特性曲线法相比，偏差小于5％。

目前商用化最广泛的电池是多晶硅电池，单个多晶硅电池的大小为156*156mm，工作电压0-0.6V，工作电流0-8A，输出功率0-4W。本专利中的参数即是根据这类多晶硅太阳能电池并适当考虑了拓展性而进行选择的，如果选用其它面积及种类不同的太阳能电池，需要根据实际情况调整参数范围，但是只要方法类同，即视为侵犯本专利。

以下详细介绍本发明方法的工作原理：

太阳能电池的交流等效模型存在两种形式，一种如图5所示,由一个电阻与电容并联后与另一个电阻串联的形式，通常记为R(RC)电路，一般表示单个电池的交流等效电路模型；另外一种如图6所示，存在多个电阻和电容并联部分，通常记为R(RC)…(RC)电路，一般表示多个阻抗不一致的电池串联后的交流等效电路模型。在图5中，R_ds表示交流等效模型中的串联电阻，R_dp表示动态体电阻，由动态电阻R_d和并联电阻R_sh组成，C_p表示动态体电容(结电容)，由势垒电容C_t和扩散电容C_d组成。图6所示的电路中的参数意义和图 3相同。

首先讨论图5所示的交流等效电路下并联电阻的测量方法。对于PN型的太阳能电池来说，其动态电阻是由交流信号波动引起，见图7。若太阳能电池的静态工作点为Q，U_Q、 I_Q分别为静态工作点电压和电流，动态电阻可以表示为：

R_d＝dU_Q/dI_Q (1)

同时，PN结的电压和电流关系满足：

其中U_T是热电压，恒温下是常数；I₀是PN结的反向饱和电流；

将式(2)代入公式(1)可得：

当PN结两端的电压和电流趋近于0时，趋于无穷大。实际上，无光条件下，PN结端电压和电流的关系如图7所示，而动态电阻是曲线斜率的倒数，可见，只要端电压或者电流趋近于0，动态电阻都将趋于无穷大。因此可以得到：

If U_Q→0，thenR_d→∞ (4)

当趋于无穷大时，电池的动态体电阻可以表示为：

R_dp＝R_sh//R_d≈R_sh (5)

可见，当直流偏压趋近于0时，太阳能电池的动态体电阻R_dp近似等于太阳能电池的并联电阻R_sh。图5所示的电路阻抗可以表示为：

其中w＝2πf，当频率较低时(f≤10Hz)，电池的阻抗值可以近似为：

|Z|≈R_ds+R_dp≈R_ds+R_sh (7)

由于当PN结两端的直流电压比较小(≤0.4V)时，太阳能电池并联电阻R_sh远大于R_ds，公式(6)可以近似为：

R_sh≈|Z| (8)

因此，对于交流等效模型是图5形式的太阳能电池，其并联电阻近似等于太阳能电池直流偏压接近于零时电池在低频下的阻抗值。

接下来讨论图6所示的交流等效电路下并联电阻的测量方法。这种电路的等效模型一般用于表示多个太阳能电池串联且电池的阻抗不一致的情况。对于图6中每一个单独的(RC) 并联部分来说，公式(5)成立，因此：

R_dp-n≈R_sh-n (9)

n表示第n个(RC)并联部分，R_sh-n表示第n个(RC)并联部分的并联电阻，R_dp-n表示第n个(RC)并联部分的动态体电阻。因此，对于整个电路来说：

R_sh＝R_dp-1+R_dp-2+…+R_dp-n (10)

同样，公式(7)和(8)均成立。无论太阳能电池(组)的内部连接结构是哪一种形式，都可以推导得出，其并联电阻近似等于一定偏压和频率范围内电池的阻抗。

动态电阻和并联电阻是并联关系，我们在实测中发现，对于大小为156*156mm的多晶硅太阳能电池来说，R_sh一般数量级在50-500Ω之间，当直流偏压在±0.2V之间时，动态电阻比较大，对R_sh的影响小，此时电池的阻抗中并联电阻占主要部分，见图8。因此，单个电池的直流偏压选择在±0.2V之间。对于其它情况，根据太阳能电池的个数和连接情况，选择适合的直流偏压范围，测量步骤(1)中给出了相应的计算方法。

交流电压的振幅范围是根据实测时具体情况来选择。一方面如果交流电压的振幅过小，会对电流的测量提出很高的要求；另一方面如果交流电压的振幅过大，对电池内部参数的大小产生较大影响，影响测量精度，因此我们给出了一个合理的控制范围，在这个范围内基本可以保证并联电阻的测量精度，交流电压振幅选择方法见步骤(2)。

在太阳能电池或者组件正负极之间添加稳定的直流偏压和交流小信号，交流小信号的频率范围在0-10Hz之间，交流信号幅值V_m。在0-10Hz的频率范围内，电路中的容性部分对阻抗贡献非常小，可以忽略不计。此时，测量电流响应，若响应电流的最大值为I_max，最小值I_min，此时交流电流的幅值I_m为：

I_m＝(I_max-I_min)/2 (11)

此时，待测电池的阻抗为：

|Z|＝V_m/I_m (12)

在满足上述偏压和频率的情况下，通过公式(8)和(12)可以近似得到电池的并联电阻为：

R_sh＝V_m/I_m (13)。

Claims (1)

1.一种基于交流阻抗测试的太阳能电池并联电阻的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试外加的直流偏压范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，且串联的电池数量为a,则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2a≤V_bias≤0.2a，单位为V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联，则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2≤V_bias≤0.2，单位为V；若太阳能电池内部各电池的连接方式为串并联混合，串联部分包含的电池个数的最大值为b，则设置交流阻抗测试的直流偏压范围V_bias为：-0.2b≤V_bias≤0.2b，单位为V；

(2)根据待测量太阳能电池的连接结构，计算交流阻抗测试的交流信号的电压幅值范围：若太阳能电池内部各电池的连接方式为串联，串联的电池数量为a且a≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤20，单位为mV，否则，设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤2a，单位为mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式为并联,则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m范围为：0＜V_m≤50，单位为mV；若太阳能电池内部各电池的连接方式是串并联混合，串联部分包含的电池个数的最大值是b，若b≤10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为0＜V_m≤20，单位为mV，若b＞10，则设置交流阻抗测试的交流信号的幅度V_m为：0＜V_m≤2b，单位为mV；

(3)无光条件下，对待测量的太阳能电池进行交流阻抗测试：将待测量的太阳能电池置于步骤(1)中计算得到的直流偏压范围内，同时对太阳能电池添加幅值为V_m交流电压信号，V_m符合步骤(2)中计算的电压幅值范围,交流频率范围在0-10Hz；

(4)分别测量响应电流最大值I_max和最小值I_min，计算响应电流的幅值：

I_m＝(I_max-I_min)/2

(5)计算得到太阳能电池的并联电阻R_sh＝V_m/I_m。

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