光伏阵列输出特性的研究与分析

吴启琴 贾学林 赵俊霞 张乐 沈克强

摘 要：光伏发电易受到外界环境的影响发生故障，造成输出功率大幅下降。文章在单个太阳能电池研究的基础上通过理论模型分析、模拟仿真和实验测试，对光伏组件输出特性受局部阴影的影响进行了分析与研究。文中利用Matlab/Simulink软件对光伏阵列在不同光照、温度、遮挡分布下进行输出特性仿真，得到最大功率点位置随外部条件变化的结果。

关键词：光伏阵列；局部阴影；输出特性；最大功率点位置

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0012-05

Abstract： Photovoltaic power generation is vulnerable to the impact of the external environment to failure， resulting in a significant decline in output power. Based on the research of single solar cell， the influence of local shadow on the output characteristics of PV module is analyzed and studied by theoretical model analysis， simulation and experimental test. In this paper， the output characteristics of photovoltaic array under different illumination， temperature and occlusion distribution are simulated using Matlab/Simulink software， and the results of maximum power point location changing with the external conditions are obtained.

Keywords： photovoltaic array； local shadow； output characteristics； maximum power point location

引言

隨着各国经济的不断发展，各国对于能源需求也呈倍增趋势，这无疑将造成整个世界能源的短缺[1]。20世纪后期，发达工业国家开始意识到过度的开发自然，以消耗原油、煤矿等不可再生资源的做法已急需改变。因为这些能源消耗时所释放的有害气体，不仅会导致严重的环境污染还会威胁到人类健康，所以环境污染和能源危机也将成为21世纪人类面临的重要问题[2]。面对越来越严峻的能源与环境污染危机，世界各国都在不断的寻找清洁、可持续利用的新型能源，而电能作为一种清洁、可再生能源，是化石类能源很好的替代品。因此，太阳能利用技术是当今世界上较有发展前景的新能源技术，并在国内外获得迅猛的发展。

光伏组件易受周围建筑、电线、灰尘、乌云等外部因素的遮挡造成光照不均的局部阴影，使光伏阵列的输出功率降低。当发生较为严重的局部遮阴时还会产生热斑效应甚至损坏电池组件导致其电气性能发生变化。因此，阴影情况下的组件及阵列的仿真分析得到了极大关注。

1 光伏电池的建模与仿真

1.1 工程数学模型

1.2 输出特性仿真

本文研究的光伏电池型号为STP265-20/Wem（GradeA-1），各输出参数如表1所示。

在标准光照度1000W/m2，温度25℃条件下对电池进行仿真，输出特性曲线如图2所示。

图2知U-P输出特性曲线为单峰曲线，该曲线最高点即该太阳能电池最大峰值点，峰值点参数为电压 Ump、电流 Imp和功率 Pmp。理想情况下，要求光伏阵列工作于最大功率点。

2 局部遮阴下光伏阵列输出特性分析

基于太阳能电池输出特性的工程模型进行SP阵列的搭建，分别对不同阴影条件下的阵列输出进行仿真，并对比分析。SP阵列模型如图3所示。

考虑到光伏发电系统在实际中的应用，一般要将整个系统建立在较为空旷的地方，因此，光伏阵列受到的遮阴一般有以下两种情况：

（1）由于云层遮挡使得阴影集中在某一区域内，并且短时间停留无法消除。

（2）由于电线、灰尘等造成的极个别遮阴。

对于第一种情况：根据云层中间厚外围薄的特点，设计以下局部遮阴情形，如图4所示。以颜色的深浅代表光照强度的变化，颜色越深，表示光照强度越小，遮阴程度越严重。

针对图5所示的局部阴影分布状态，利用Matlab/Simulink软件进行输出特性仿真。其中，设定严重遮阴组件的光照度为400W/m2，较严重遮阴组件的光照度为600W/m2，轻微遮阴组件的光照度为800W/m2，正常组件的光照度为1000W/m2，得到如图6所示的仿真结果。

由图5知，若阴影集中串联分布，如曲线阴影b，此则U-P输出特性曲线中有三个峰值点，最大功率点相比正常曲线明显降低，U-I特性曲线呈现阶梯减小的特点；当阴影均匀分布在每一串时，即曲线阴影c，此时U-P输出特性曲线中有4个极值点，最大功率点相比曲线阴影a大大降低；当阴影呈现三角分布时，即曲线阴影d，U-P输出特性曲线也出现多个极值点，但比较曲线阴影c和曲线阴影d可发现，当阴影集中分布在同一串上时，最大功率点明显提高。由图5分析可知，受遮阴的SP光伏阵列，不同的遮阴分布则对应不同的输出特性曲线。一般情况下，两个完全相同的SP光伏阵列，在受遮阴组件个数和遮阴程度均相同时，其理想的累加输出功率也一样。但在实际电路系统中，不同遮阴分布的输出特性差异很大，输出效率与遮阴度、遮阴个数、遮阴分布均有关。从输出曲线可见，阴影条件下阵列输出呈多峰特点。

對于第二种情况：根据灰尘的随机性特点，主要分析三种遮阴分布，如图6所示。

基于Matlab/Simulink软件对以上四种状态进行仿真。设定正常、严重遮阴、较严重遮阴、轻微遮阴组件的光照度分别为1000W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2，四种阴影下光伏阵列的U-I和U-P输出特性曲线如图7所示。

从图7可看出，当个别阴影同时分布在一串时，即图中的曲线阴影d，U-P曲线上有三个极值点，最大功率点较无阴影时有所下降；当个别阴影分布在不同串时，即如曲线阴影c，在U-P输出特性曲线中输出功率相比曲线阴影d有所降低。比较曲线阴影c和d可见，对于SP光伏阵列，局部遮阴组件在阵列中的分布越均匀，阵列总输出功率受到的影响就越大。

3 测试结果与数据分析

为获取局部遮阴条件下光伏组件真实可靠的输出数据，本文在南京优珈特新能源有限公司提供的实验平台、硬件电路基础上，设计了如下遮阴测试方案。首先，人为的制造遮阴程度分别为1/16遮阴、1/4遮阴、1/2遮阴和1遮阴，通过从上午九点至下午四点对不同遮阴程度的组件进行工作电压，工作电流，表面温度的数据采集，数据采集结果如图8和图9所示。

图8和图9中67号电池作为正常组件，90号、76号、13号、86号电池组件分别对应1遮阴、1/2遮阴、1/4遮阴、1/16遮阴。由于一天时间内太阳光照与环境温度并不稳定，在曲线上表现为波动较大，故选取下午1：30到2：30图像曲线较为稳定的数据进行分析。从图8和图9可知组件的工作电压与遮阴程度关系密切，且随着遮阴程度的增加，组件的工作电压会明显下降，组件的表面温度也有不同程度的增加，受遮阴的光伏组件所在串的串电流会明显减小。具体测试数据如表2所示。

通过测试数据与结果分析可知，对于一个大型光伏阵列，若在光伏电池板上空出现大面积云彩遮挡或大面积泥水积累等问题时，组件的工作电压下降较为严重，功率失配问题也更加显著。

4 结束语

本文基于南京优珈特新能源有限公司的实验平台，先通过建立光伏电池输出特性的工程数学模型，分析了影响光伏电池输出特性的因素。采用单个光伏电池进行SP阵列的搭建，对不同阴影条件下阵列的输出特性进行分析，并利用Matlab/Simulink软件工具对光伏阵列的输出特性进行仿真验证。通过测试可知，当个别阴影同时分布在一串时，U-P曲线上有三个极值点，最大功率点较无阴影时有所下降；当个别阴影分布在不同串时，U-P曲线中输出功率相比之前也会有所降低。由此可见，对于SP光伏阵列，局部遮阴组件在阵列中分布地越均匀，阵列总输出功率受到的影响就越大。

参考文献：

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