局部阴影条件下光伏阵列建模方法研究

卢 喆郑 松，2

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2. 福建省工业控制系统信息安全技术企业重点实验室，福州 350008）



局部阴影条件下光伏阵列建模方法研究

卢 喆1郑 松1，2

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；2. 福建省工业控制系统信息安全技术企业重点实验室，福州 350008）

由于局部遮挡的影响，光伏阵列 I-V特性曲线呈多阶梯状，并且其 P-V特性曲线包含多峰值，因此，常规光伏阵列模型已经不适用。以光伏电池工程模型为基础，建立了适用于局部阴影条件的光伏阵列模型。利用该模型，对光伏阵列输出特性进行简要分析，结果表明：局部阴影对光伏阵列输出特性的影响因光照强度，温度，阴影数量和阴影分布情况的不同而有所差异。

局部阴影；工程模型；光伏阵列；输出特性

随着煤炭、石油、天然气等化石能源逐渐枯竭，新能源的开发和利用显得尤为重要。太阳能是一种可再生的清洁能源，具有很高的开发潜力。光伏发电作为太阳能开发的一种方式，逐渐得到越来越多的应用。

在光伏发电过程中，由于树木、云层等物体的遮挡，导致光伏阵列处于局部阴影条件下，严重影响光伏阵列的输出特性。目前，国内外针对光伏阵列建模的绝大部分研究仅局限于均匀光照情况，该模型无法应用与局部阴影条件下光伏阵列输出特性的分析，因此，建立局部阴影条件下光伏阵列的模型有重要意义。

到目前为止，国内外针对光伏电池模型进行了较长时间研究，文献［1-2］根据标准测试条件（STC）下测量的参数Isc、Voc、Im、Vm，建立了单体光伏电池的工程模型，该模型考虑了环境温度、太阳辐射强度对电池输出特性的影响，但没有进行光伏阵列的仿真研究；文献［3］所建立的工程模型，在考虑环境温度、太阳辐射强度的同时，还考虑了光伏阵列的输出特性，但仅局限于均匀光照强度；文献［4］建立的是考虑串并联电阻的单指数模型，同样也没有考虑局部阴影的影响；文献［5］只针对串联情况下的光伏阵列进行了局部阴影条件下的建模工作；文献［6-7］采用编程的方式建立了局部阴影条件下光伏阵列的建模，但该方法依赖准确的数学模型，对于内阻非线性的光伏阵列来说，这增加了建模的难度。

本文以光伏电池的工程模型为基础，结合电力电子模块，采用模块化的方式，避开了光伏阵列的数学建模工作，进行了局部阴影条件下光伏阵列仿真模型的搭建。并简要分析其输出特性，为局部阴影条件下光伏阵列最大功率点跟踪仿真研究提供了模型基础。

1 单体光伏电池板建模

在光伏电池的物理模型中，包含了二极管理想因子（A）、光生电流（Iph）、二极管反向饱和电流（I0）、串联电阻（Rs）和并联电阻（Rsh）五个未知参数，并且该参数因电池型号的不同而改变［8］，因此，使用光伏电池的物理模型建模相对复杂。本文采用满足精度要求的光伏电池工程模型进行建模，该模型仅需以厂家数据手册提供的标准测试条件（STC）下测出的短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、最大功率（Pm）、最大功率点电压（Vm）和最大功率点电流（Im）为参数，对电池模型进行近似处理如下［1］：

根据式（2）和式（3），将已知参数 Isc、Voc、Im、Vm带入，求出系数C1、C2的值，并将其带入式（1）即可得到在标准测试条件（STC）下光伏电池的I-V特性曲线。

为了得到任意光强和环境温度下光伏电池的I-V特性曲线，需要对Isc、Voc、Im、Vm参数进行修正，即

式中，a、c为温度补偿系数；b为光强补偿系数。

本文采用的系数为［9］

本实验采用BP-Solar生产的BP585U太阳能电池组件，根据式（6）至式（12），采用Simulink/Fcn等模块，建立工程模型，组件参数为 Pmax=85W，Voc=22.1V，Isc=5A，Vm=18V，Im=4.72A。其内部结构图如图1所示。

图1　光伏电池工程模型内部结构

该模型实用性很强，本文分别进行温度恒定和光强恒定条件下两组仿真实验，得到光伏电池输出特性曲线如图2和图3所示。

图2　温度恒定，光强改变的单体光伏电池输出特性曲线

图3 光强恒定，温度改变的单体光伏电池输出特性曲线

图2为温度T=25℃恒定时，改变光照强度S的I-V、P-V输出特性曲线，由图 2（a）可知，I-V曲线呈阶梯状，光伏电池的短路电流随着光强的增加而变大，并且在一定范围内，随着输出电压的增大，输出电流的值基本不变，当输出电压增大到某值时，输出电流迅速下降到0；开路电压受光强影响不大。由图 2（b）可知，光伏电池的最大输出功率 Pm与光照强度成正比。

（49）短瓣大萼苔 Cephalozia macounii （Austin）Austin. 杨志平（2006）；余夏君等（2018）

图3为光照强度S=1000W/m2恒定时，改变光伏电池结温T的I-V、P-V输出特性曲线。由图3（a）可知，光伏电池的短路电流受温度影响不大，而开路电压随着温度的增加而降低；由图3（b）可知，光伏电池的最大输出功率Pm与温度成反比。

2 局部阴影条件下光伏阵列的建模

光伏阵列结构有 TCT（total-cross-tied）和 SP （series-parallel）两种，TCT结构是将单体光伏电池先并联后串联，如图4（a）所示，而SP结构是将光伏电池单体先串联后并联，如图4（b）所示。本文采用的是SP结构。

图4　两种光伏阵列结构

2.1局部阴影光伏阵列内部机理

为防止热斑效应，工程用光伏组件均并联旁路二极管，并且串联支路中，均串联阻断二极管。

在均匀光照下，所有光伏组件的输出电流相同，旁路二极管处于阻断状态，I-V曲线保持单阶梯状，P-V曲线保持单峰值。当处于局部阴影条件下时，其输出特性曲线由负载阻抗和阴影情况所决定。假设光伏组件PV1处于阴影条件，其输出电流Isc1小于正常光照下Isc。当负载阻抗很小时，光伏阵列输出电流大于Isc1，此时PV1的旁路二极管导通，PV1成为负载；当负载阻抗逐渐增大，光伏阵列输出电流逐渐减小，直到输出电流小于等于 Isc1时，PV1旁路二极管阻断，PV1开始对外输出功率。

2.2串联光伏阵列（N×1）建模

图5　5×1串联光伏阵列模型

运用该模型，进行以下四种情况的仿真实验，局部阴影参数见表1。

表1　串联光伏阵列仿真情况表

根据表1参数进行仿真实验，得到串联光伏阵列特性曲线如图6所示。

图6　不同情况下，串联光伏阵列输出特性曲线

由图6（a）可以看出，在局部阴影情况下，串联光伏阵列呈多阶梯状，并且阶梯数等于串联光伏阵列中，不同遮挡率的光伏电池种数。图（b）中可知，当串联光伏阵列处于局部阴影条件下时，其输出功率曲线出现多峰值情况。

2.3光伏阵列（N×M）的建模

根据上述串联光伏阵列的模型，采用同样的方式，搭建SP结构的光伏阵列模型。为防止被遮挡支路输出电压低于其他支路，产生电流回流现象而损坏光伏组件，因此，在每条串联支路上，增加一个阻断二极管。本文以4×3的SP型光伏阵列为例，搭建模型如图7所示。

图7　4×3光伏阵列模型

利用该模型，本文进行了以下四组光伏阵列输出特性的仿真实验，具体参数见表2。

根据表2参数进行仿真实验，得到的输出特性曲线如图7所示。

图8　不同情况下，SP光伏阵列输出特性曲线

由图8可以看出，在局部阴影情况下，光伏阵列的I-V、P-V输出特性曲线相比于均匀光照条件下有明显改变，I-V输出特性曲线呈阶梯下降趋势，P-V输出特性曲线出现多个局部最大功率点，并且全局最大功率点Pm也相对下降。由以上实验对比可知：光伏组件的遮挡率不同时，局部最大功率点个数也不同，全局最大功率值也不同；局部阴影会导致光伏阵列产生功率损耗；在局部阴影条件下，影响光伏阵列输出特性曲线的不仅有光照强度、温度，还有阴影的数量及阴影的分布情况。

表2　4×3光伏阵列仿真情况表

3 结论

本文以光伏电池工程模型为基础，根据局部阴影条件下，光伏阵列内部机理，借助 Powersystem工具箱，完成SP型光伏阵列的建模，该模型避开了光伏阵列复杂的非线性数学建模，还原光伏阵列的工作过程，模型简洁实用，图像化建模更加直观。并通过仿真实验分析其输出特性，得出以下结论：

1）单体光伏电池的I-V特性曲线呈阶梯状，P-V特性曲线呈单峰值。

2）局部阴影条件下，串联光伏阵列的I-V特性曲线呈多阶梯状，并且阶梯数等于串联光伏阵列中，不同遮挡率的光伏电池种数，P-V特性曲线呈多峰值特性，因此传统的最大功率点跟踪（MPPT）方法将失效。

3）局部阴影条件下，光伏阵列输出特性受到光照强度，温度，阴影数量和阴影分布情况的影响而有所差异。

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Study on Modeling of Photovoltaic Array with Partial Shading

Lu Zhe1Zheng Song1，2
（1. College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108；2. Fujian Provincial Enterprise Key Laboratory of Industrial Control System Information Security Technology，Fuzhou 350008）

In the case of the partial occlusion，the I-V characteristic curve of the PV array is presented with multi steps，and its P-V characteristic curves contain multiple peaks. So the conventional PV array model has not been applied. Based on the engineering model of photovoltaic cells，a photovoltaic array model for partial shading is established. Using the model，the output characteristics of PV array are briefly analyzed. Simulation results show that the influences of partial shading on the output characteristics of PV array are different in the light intensity，temperature，the number of shadow and the distribution of the shadow.

partial shading； engineering model； photovoltaic array； output characteristics

卢 喆（1991-），男，福州大学在读研究生，研究方向为光伏发电最大功率点跟踪技术。