阴影对串联光伏阵列输出特性的影响

2014-07-07贾言争李凤婷朱贺周红莲

电源技术 2014年5期

关键词：输出特性电池板输出功率

贾言争，李凤婷，朱贺，周红莲

（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.宁德供电公司，福建宁德 352000）

阴影对串联光伏阵列输出特性的影响

贾言争1，李凤婷1，朱贺2，周红莲1

（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047；2.宁德供电公司，福建宁德 352000）

基于传统的光伏电池等效模型，研究了影响光伏电池输出特性的主要因素。通过对受部分遮挡的串联光伏组件工作状态的分析，建立了适用于任意遮挡情况下的串联光伏阵列的数学及仿真模型，通过仿真曲线与实验数据的对比验证了所建模型的正确性。利用所建模型，仿真分析了串联光伏阵列在不同遮挡程度下的输出特性曲线，对比分析了不同遮挡状态下串联光伏阵列的最大输出功率的变化。

部分遮挡；串联光伏阵列；数学仿真模型；输出特性；最大输出功率

光伏发电系统是将多个组件串联或并联将光能转化成直流电能，再经电力电子变换器件转换成各种形式的电能供负载使用的系统。由于安装地点及天气环境等原因，会导致同一组件的不同发电单元或者是不同组件间接受的光照强度不同，如光伏阵列受到周围建筑物、树木、鸟类粪便等杂物或云层的遮挡等。此外，光伏电池的老化和损坏也是不可忽略的因素。光伏电池组件受遮挡形成的阴影势必导致光伏电池的发电效率严重降低，甚至产生热斑效应，损坏光伏电池元件。因此研究光伏阵列在非均匀光照强度下的输出特性对光伏电站的优化设计、提高发电效率、预防和诊断电池元件故障等具有很重要的意义。

目前，国内外对均匀光照下的光伏模型有较多的理论和实验研究，而对非均匀光照下的模型的研究比较少。文献[1-2]提出了光伏电池板的等效电路仿真模型，考虑了温度、光照强度等影响，但未考虑阴影的影响；文献[3-4]研究的是阴影条件下单个电池板的输出特性；文献[5-7]虽对阴影条件下光伏阵列输出特性进行了仿真分析，但关于阴影对串联阵列的影响均未做详细深入的研究；文献[9-10]在阴影条件下建立了两个组件串联的模型，都没有拓展到阴影对大规模光伏阵列的影响。

本文以传统的光伏等效模型为基础，建立了适用于串联阵列中任意遮挡状态下电池板的数学仿真模型，仿真分析了不同遮挡状态下串联电池组件的I-V、P-V曲线，并分析了任意遮挡程度下串联阵列输出能力的变化，为光伏电站的优化设计提供了参考。

1 局部阴影下光伏电池数学模型

1.1 光伏电池的数学模型

光伏电池是以半导体的P-N结受太阳光照产生光生伏打效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器，其典型等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

图2 光伏电池相同温度(25℃)不同光照强度下的输出特性

图3 光伏电池相同光照强度(1 kW/m2)不同温度下的输出特性

1.2 阴影下串联光伏阵列的数学模型

光伏阵列是为了能达到一定的直流电能输出，由一系列光伏组件串联或串并联组成的一个整体模块。若一光伏阵列是由个光伏组件串联组成，电池组件的输出电压、输出电流分别为、，则光伏阵列的直流输出电压可表示为=，阵列输出电流为=，在均匀光照下光伏阵列的数学模型可用如下方程描述：

一旦光伏电池组件部分被遮挡产生阴影导致光照不均匀，公式（3）就不再适用了。本文把遮挡率分为光线遮挡率和面积遮挡率，分别指对光线的遮挡和对光伏阵列面积的遮挡程度，光线遮挡率可用百分数表示：式中：behind为遮挡物之后的阴影所对应的光照强度，before为光伏组件被遮挡之前的光照强度，为便于比较分析，本文中所用的before均为参考值1 kW/m2。由式（4），光线遮挡率=60%即表示遮挡后光伏组件的光照强度behind=0.4 kW/m2。

图4为两个光伏电池单元串联的电路图，假定两个光伏电池单元工作在相同的温度下。

图4 两个光伏电池单元串联电路图

对应于此种情况下的数学模型可表示为如下分段函数：

1.3 阴影下串联光伏阵列仿真建模

基于以上分析，本文在Matlab环境下编写程序，完成了任意阴影下串联光伏阵列的仿真建模。

为了验证该模型的正确性，对两块串联电池板组成的串联阵列进行计算机仿真并与实验值相比较。实验采用的电池板的参数标称值为oc=21.06 V，sc=1.9 A，m=1.73 A，m=18.4 V，参考温度、光照强度分别是25℃、1 kW/m2。

参考温度下，两块串联电池板中一块被遮挡，遮挡后的光照强度为0.2 kW/m2，另一块在参考光照强度下，由图5中仿真与实验结果的对比，验证了所建模型的正确性。

图5 两个串联组件在阴影条件下的实验与理论输出特性曲线

2 阴影下串联光伏阵列的输出特性

2.1 相同遮挡率下串联光伏阵列输出特性

图6分别仿真了四块串联组件在正常情况下（光照强度为1 kW/m2）及两块电池板受阴影遮挡且光线遮挡率均为60%（光照强度为0.4 kW/m2）时的I-V、P-V曲线。图6(a)、(b)中的曲线a、b分别为正常情况下及遮挡情况下的I-V，P-V曲线。由图6(a)可知，正常情况下光伏电池板的短路电流为1.9 A，电池板全部被遮挡时的短路电流为0.78 A，也就是此种状态下电池板最大输出电流的能力为0.78 A。外电路工作电流在1.9～0.78 A时，被遮挡的电池板不能输出足够的电流而被旁路二极管短路，几乎不工作，只有未被遮挡的电池板才有输出电流。外电路工作电流为0.78～0 A时，被遮挡电池板能提供电路所需的电流，故与正常状态下的电池板有相同的输出电流。

图6 光伏串联阵列中相同遮挡率下的输出特性曲线

从P-V曲线可以看出，阴影对串联阵列中最大输出功率的影响是很明显的，下文将会作详细分析。

2.2 不同遮挡率下串联光伏阵列的输出特性

图7仿真的是此串联阵列中相同数目的电池板被遮挡，即相同的面积遮挡率但光线遮挡率不同的输出特性仿真曲线。曲线f为串联阵列中光照强度均为1 kW/m2时的仿真曲线，g、k为阵列中有两块电池板被遮挡，其中g为两块电池板光线遮挡率均为40%（光照强度为0.6 kW/m2），k为两块电池板中遮挡率分别为40%、80%（光照强度为0.2 kW/m2）时的I-V、P-V曲线。

图7 不同遮挡率下的输出特性曲线

由图7(b)的P-V曲线可知，串联阵列中光照不均匀的时候其功率输出曲线存在多峰值点，且峰值点的数目与遮挡率的种类有关，这种多峰值特性可能会导致诸如扰动观测法、增量电导法、短路电流法和开路电压法等传统的最大功率跟踪方法会因无法辨别全局最大功率点而失去作用，为了提高光伏阵列的输出能力，在系统设计时必须要采用能避免陷入局部峰值点的最大功率算法。

图8中的百分数表示光线遮挡率，仿真的是4个串联组件中的两个组件受5种光线遮挡率（分别为20%、40%、60%、80%、100%）时的输出特性曲线。由图8(a)可知在光照强度大于零时，其变化对串联光伏电池阵列的开路电压影响很小；光照强度为零时，串联阵列的开路电压骤降，降幅为光照强度为零的电池组件的开路电压。图8(b)的P-V曲线表明串联阵列最大输出功率首先随着遮挡率的升高而下降，而后基本维持在一个恒定的状态，在这两种状态的前后，光伏串联阵列的最大功率点电压发生突变，导致其工作状态发生了很大的变化。

图8 不同光线遮挡率下的输出特性曲线

2.3 不同遮挡率下串联光伏阵列输出能力的变化

以16个组件串联形成的光伏阵列为例，分别仿真其从0到16个组件被遮挡时的光伏阵列的P-V曲线，分别得出其最大输出功率，如表1所示，并绘出其功率变化曲线。

图9是根据表1中的点描绘出的被遮挡组件与最大输出功率之间的关系，曲线可用于描述串联组件中被遮挡面积与最大输出功率之间的关系。5条曲线（）描述了在不同光线遮挡率下的光伏阵列最大输出功率随遮挡面积的变化曲线。从整体来看，在一定光线遮挡率下，最大输出功率max随着遮挡面积的增加而减小，而遮挡面积达到一定程度之后，max变化很小，基本上保持恒定；在相同的遮挡面积下，光线遮挡率对max的影响呈现出分段性，分段点就在曲线的拐点处，如被遮挡组件数=8，曲线1max、2max（光线遮挡率分别为20%、40%）所对应的max值为428.8、324.8W，而曲线（光线遮挡率分别为60%、80%、100%）对应的max值均为256.5W。

表1 不同遮挡组件数和光线遮挡率下的最大输出功率 W

图9 遮挡面积与最大输出功率关系曲线

3 结论

本文以传统的光伏电池模型为基础，结合电路理论，对部分遮挡情况下的串联光伏阵列输出特性进行了详细的分析，从理论上推导其对应的分段函数表达式，并且得出串联阵列中有种光照强度，光伏阵列就需要个分段函数进行描述的结论；在温度一定的情况下，串联光伏阵列输出特性与遮挡率和遮挡面积有关；部分遮挡情况下，输出电流呈现阶段性变化，输出功率明显下降，且呈现出多峰值特性，存在局部最大功率点，会导致传统的最大跟踪方法可能无法辨别出全局最大功率点而失去作用，因此需要改进或开发出一种能全局扫描的最大功率跟踪方法来实现全局最大功率点的跟踪；串联光伏阵列的最大输出功率随遮挡率和遮挡面积的增加而减小，但并非线性关系。

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Effectsof shadow on outputcharacteristicsof series PV array

JIA Yan-zheng1,LIFeng-ting1,ZHU He2,ZHOU Hong-lian1

Based on the traditional PV cell equivalent model,the main factors influencing the output characteristic of PV cell were analyzed.The mathematical and simulation model suitable for series PV array under any shaded conditions were built by the analysis of operating conditions of series PV cell partially shaded,and through contrasting simulation curve w ith experimentaldata,the validity ofmodelwas demonstrated.The output characteristic curves of series PV array under different shaded levels were simulated,and the variation of the maximum output power of series PV array on differentshaded conditions was analyzed.

partially shading;series PV array;mathematical simulation model;output characteristic;the maximum outputpower

TM 914

1002-087 X(2014)05-0844-03