基于Matlab的光伏阵列全局重构系统的研究

王志刚， 姚秀萍

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆电力公司，新疆乌鲁木齐 830000)

基于Matlab的光伏阵列全局重构系统的研究

王志刚1， 姚秀萍2

(1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆电力公司，新疆乌鲁木齐 830000)

针对光伏列阵不同阴影分布情况下，光伏列阵的输出功率具有波动性。在Matalb中，建立光伏阵列物理机制模型，并且对光伏阵列在不同的阴影分布情况下的输出功率进行仿真。根据光伏阵列阴影分布最优原则，建立一种交叉开关矩阵电路对光伏阵列的结构进行重新构造。编写矩阵开关驱动模块程序，对开关矩阵开关进行控制。在仿真结果的基础上，对比安装和非安装系统的光伏阵列输出特性，证实系统的可靠性。

全局重构；Matlab；交叉矩阵开关；阴影

光伏阵列的阴影问题，一直是光伏研究的热点。光伏列阵由于容易受到受到周围建筑物、树木、电线杆和空中云的影响，导致模组的特性变差，能量输出能力降低，甚至形成热斑，损坏模组[1]。

本文针对光伏阵列在阴影环境下，输出能力降低的问题,设计了一种光伏阵列的全局重构系统，用于改变和优化光伏阵列的结构以提高输出功率[2]。先在Matlab里建立了基础光伏组件电路等效的物理机制光伏组件数学模型。然后通过实验确定了光伏阵列的阴影最优分布情况，根据阴影分布情况，通过交叉矩阵开关合理分配光伏组件在阵列中的位置，从而使阴影在光伏阵列中均匀分布。使光伏阵列在同等阴影下输出最大的输出功率。与文献[3]的局部重构系统相比，全局重构系统不用加入补偿的光伏组件，节约了成本。

1 全局重构系统

1.1 全局重构系统工作原理

光伏阵列在工作中，受到云层、灰尘、树荫等阴影的影响，输出功率具有一定的波动性。由于云层厚度、灰尘厚度等影响因素不同，阴影在阵列上的影响程度也不同。利用光伏阵列阴影的最优分布原理[4]，将不同阴影程度下的光伏组件进行最优化分配，从而达到阴影的最优分布，使光伏阵列达到阴影条件下的最大输出功率。

全局重构系统包括测量模块、矩阵开关和矩阵开关的驱动模块。测量模块通过采集光伏组件的输出电压与电流，进而计算光伏组件上的光照强度，通过和标准光照强度进行比较输出判断信号。矩阵开关通过开端方式的不同组合，将光伏组件位置进行重新分配，从而达到阴影的最优分布。矩阵开关驱动模块，通过对测量模块的判断信号的采集和分析，输出不同组合的开关驱动信号，控制矩阵开关的开端。

1.2 全局重构系统的建模

1.2.1光伏阵列的建模

太阳能光伏电池利用光生辐打效应产生光生电流。光伏电池的等效电路如图1所示[5]。

根据光伏电池的内部结构和和电流特性，建立光伏电池数学模型的公式[6]表示如下：

图1 电池等效电路图

采用Solarex MSX 60 W电池组件的参数建立模型。电池组件参数如表1所示。

表1 电池组件Solarex MSX 60 W参数

实际应用中，将单体电池串并联，得到所需输出电压和电流。输出特性方程：

本文所建立的电池模型，并联数为1，串联数为36，带入式(4)可得：

由公式(1)～(6)，在Matlab Simulink里搭建电池组件物理模型，得到为1 000,800,600 W/m2，=298 K电池组件的输出特性如图2和图3所示。

图2 U-I特性曲线

图3 U-P特性曲线

1.2.2测量模块的建模

测量模块用于采集光伏组件输出的电压和电流，从而计算得到光伏子模块上的辐照度。将子模块上的辐照度和标准光照相互比较。当子标准辐照度等于或者小于子模块的当前辐照度，测量模块判断为无阴影或更强光照，测量模块输出数字信号0；当标准辐照度小于子模块当前辐照度，测量模块判断为阴影，测量模块输出数字信号1。子模块辐照度和阴影判断计算公式[3]如下：

基于公式(7)(8)在Matlab Simulink里搭建测量模块。

1.3 交叉矩阵开关和驱动模块的建模

1.3.1交叉矩阵开关的建模

基于传统的矩阵开关，设计了一种更为简单的交叉矩阵开关。此种矩阵子模块由4个IGBT组成，通过控制4个IGBT的开关，实现4个光伏子模块的两两不同组合方式，从而实现阴影模块的最优分布目的。交叉矩阵开关电路图如图4所示。

图4 交叉矩阵开关电路图

1.3.2驱动模块的建模

本文建立了简单的2×2光伏阵列。通过实验得到了光伏阵列的阴影最优分布情况，如表2所示。

依据实验数据，可得到该光伏阵列的所有最优分布情况。根据最优分布情况，在Matlab里利用S-function模块，编写驱动程序。程序流程图如图5所示。

表2 光伏阵列阴影分布

1.3.3 全局重构系统的建模

将光伏组件、测量模块、交叉矩阵开关和矩阵开关的驱动模块在Matlab中进行全局重构系统的建模。全局重构系统电路图如图6所示。

图6 光伏阵列全局构造系统模型

2 全局重构系统对输出特性的影响

分别对安装和非安装全局重构系统，阴影数为2的光伏阵列进行仿真实验。通过不断调整负载数值，得到2组光伏阵列的输出电流和电压对数据，从而可以计算光伏阵列输出功率。对数据进行拟合[7]得到重构系统的U-P曲线。光伏阵列的U-P拟合曲线如图7所示。

从图7可以看出安装全局重构系统的光伏阵列输出的最大功率比没有安装系统的光伏阵列的最大功率提升了4.5%。在实际应用中可由最大功率点跟踪(MPPT)系统完成最大功率的输出。

图7 光伏阵列U-P拟合曲线

3 结论

光伏阵列在实际运行中，受到阴影的影响，光伏阵列输出的最大功率从而受到影响。本文为了追求同等阴影程度下，光伏阵列的最大输出功率，根据阴影的最优分布原理，在Matlab中，设计2×2光伏阵列的全局重构系统，使阴影实现了最优分布，最大输出功率得到了提升。

实际应用中，光伏阵列的阶数更多，且阴影布局更为复杂，但是更高阶数的光伏阵列在最优阴影分布下的最大输出功率提升效果更为显著。而且交叉矩阵开关可以将阵列分为许多2×2阶的子模块，从而为阴影的重构提供了便利条件，为工程实践中光伏阵列在阴影下最大功率的提升提供了指导意义。

[1]王长贵，崔容强，周篁.新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[2]戚军，张晓峰，张有兵，等.考虑阴影影响的光伏阵列仿真算法研究[J].中国电机工程学，2012,32(32):131.

[3]庞志超.局部阴影条件下基于模糊控制的光伏阵列重构系统的研究[D].天津：天津大学，2010.

[4]刘晓艳，祁新梅，郑寿森，等.局部阴影条件下光伏阵列的建模分析[J].电网技术，2010,34(11)：194-195.

[5]杜慧.太阳能发电控制系统的研究[D].北京：华北电力大学，2008.

[6]WALKER G.Evaluating MPPT converter topologies using a MATLAB PV model[J].Journal of Electrical and Electronics Engineering,2001,21(1):49-55.

[7]何英蕾，付青，李湘峰，等.光伏阵列区域特性曲线拟合与预估算法研究[J].电测与仪表，2010,47(3):24-27.

Research on global reconfiguration system of photovoltaic arrays based on Matlab

The output power of pv array was undulatory under different distribution of shadow.Photovoltaic array physical mechanism model was set up based on Matlab.And the output power of pv array under different distribution of the shadows was simulated.According to the optimal distribution principle of the pv array shadow,a cross switch matrix circuit was established to reconstruct the structure of pv array.A matrix switch driver module procedure was wrote to control the switch matrix switch.Based on the results of simulation,installation system and the installation system of pv array's output characteristic were compared,and the reliability of system was verified.

global reconfiguration;Matlab;switch matrix switch;shadow

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0628-03

2015-08-19

王志刚(1990—)，男，河北省人，硕士生，主要研究方向为风电和光伏的电力系统分析及其控制。