基于多峰值模型优化的光伏阵列故障研究

陈宇 孔圣立

摘要：在光伏阵列的实际使用中，设备老化、局部阴影等因素会导致阵列故障现象的发生。为了消除故障对光伏阵列输出的不利影响，提出对原有的多峰值模型进行优化处理，在光伏组件模型上并入对求解参数进行修正的旁路二极管，以提高光伏发电系统转化效率。仿真对比分析了模型优化前后的光伏阵列输出特性，验证了此优化模型能有效减小系统的功率损耗。

关键词：阵列故障;模型优化;参数修正;功率损耗

0    引言

随着化石能源的不断消耗，人类已经开始重视对可再生能源的开发利用，其中太阳能有着资源丰富、分布广阔和清洁无污染等优点，成为各国积极研发的绿色能源。光伏阵列在长期的使用中难免会出现设备老化、局部阴影等现象，其中遮荫现象会导致阵列出现功率失配等问题，其对光伏阵列高效的电能输出有着不利的影响[1-2]。

为了降低故障情况对功率输出的影响，本文提出对光伏阵列的多峰值模型进行优化，使用旁路二极管以减少光伏阵列故障的发生。以局部阴影现象作为光伏阵列故障分析对象，并模拟分析外界环境条件变化来说明模型优化的重要性。通过在MATLAB/Simulink环境下建模仿真，验证了优化后的模型在外界环境变化时仍能较好地保护阵列，使系统能高效地运行。

1    光伏阵列的多峰值建模

单个光伏电池组件由于遮荫等环境因素影响可能会造成组件工作的失效，考虑到这种情况的发生，本文以反向雪崩击穿电压光伏电池元的双二极管电路模型为基础，以此模拟单个光伏组件故障时的反向电流产生的发热效应等[3-4]。

图1为考虑了反向雪崩击穿电压的光伏电池元双二极管的等效电路模型[5-6]，也同样为局部阴影下的光伏电池元模型等效电路。图中Iph为光生电流，ID1、ID2为流过两个二极管的电流，Iv为反向雪崩击穿电流，VD为Rsh两端的电压，Rsh和Rs分别为等效的并联和串联电阻，Voc、IL分别为光伏电池元的输出电压和输出电流。

式中，Is1、A1代表反向二极管D1的品质因数和方向饱和电流;Is2、A2代表反向二极管D2的品质因数和方向饱和电流;Vbc代表雪崩击穿电压;α、nn为雪崩击穿特征常数;T为光伏电池元温度;q为电子电量，q=1.602 2×10-19 C;k为波尔兹曼常数，k=1.380 6×10-23 J/K。

假设有m×n个光伏组件光伏阵列串并联组成光伏电池阵列，其中m为并联支路数，n为每条支路的串联光伏组件数。光伏阵列中的各个组件电气特性完全相同，则可以得到光伏阵列的一般数学模型为：

2    光伏阵列的模型优化

图2是光伏组件串联组成的光伏阵列，阵列中有个别组件由于遮荫现象而不能给系统提供电能，反而会成为负载来消耗光伏系统的能量，这个过程中遮荫组件会产生局部发热现象甚至烧毁组件，极大地危害着光伏阵列的安全性能。

当光伏阵列所处工况发生变化时，可在每个光伏模块上引入对所求解参数能做出修正的旁路二极管装置，得到在相应工况下，参數的确定方法如下：

一般将标准测试状态定为参考状态，即Sref=1 000 W/m2，Tref=298 K。

3    光伏阵列的仿真分析

考虑到在现实情况下温度通常只发生缓慢的变化，所以在仿真中主要考虑光照强度发生变化的情况，针对不同光照强度的局部阴影现象，考虑到反向雪崩击穿电压的影响，对光伏阵列模型进行优化建模分析。在仿真中不同光伏组件给予不同的光照强度，并与原有非优化模型进行仿真比较，以此来说明优化后的作用。

仿真使用的每个单体电池功率均相同，其具体参数为：Pm=100.3 W，UOC=42.84 V，Um=35.64 V，Isc=3.14 A，Im=2.81 A，参考温度是25 ℃，参考光照为1 000 W/m2。图3所示为在局部阴影下模型优化的光伏阵列仿真模型，该模型是通过6块相同规格的光伏组件串联而成的。

对光伏阵列整体模拟4次不同的光照强度进行仿真分析，组件1和组件2在模拟中都给予恒定的光照强度1 000 W/m2，其他光伏组件在4次模拟中给予从强到弱的光照强度，温度均为25 ℃。表1为不同情况下光伏组件的光照强度分布。

由图4和图5可以得知，在恒定光照的条件下，光伏阵列原有模型和优化模型的特性曲线是完全一致的，这是因为恒定均匀光照时光伏阵列不会出现失配状况，此时优化模型的二极管处于截止状态。

当光伏阵列的光照强度不均匀或存在其他失配状况时，光伏阵列优化模型的I—V曲线和P—V曲线分别呈现阶梯状和多峰值现象，此时二极管处于截止状态，光伏组件避免了自身成为负载而消耗能量;而光伏阵列原有模型的I—V曲线和P—V曲线呈单梯状和单峰值现象，光伏组件自身成为负载而消耗能量，因此光伏阵列的输出功率会减小（表2），严重时还会损坏光伏电池器件。

综上可知，优化模型的使用能有效降低遮荫等故障现象对系统内部功率损耗的影响，提高了光伏阵列在遮荫条件下功率稳定输出的可靠性。

4    结语

研究建立光伏阵列局部阴影多峰值模型，由于光伏故障中的局部阴影等现象会对阵列的功率输出产生不利影响，本文提出对原有多峰值模型进行优化，具体方法为引入具有参数修正功能的旁路二极管，以有效减少光伏阵列的内部功率损耗。仿真分析光伏阵列在模型优化前后的输出特性，并模拟外界环境变化对优化模型的影响，结果表明，优化模型在光伏阵列发生故障时能较好地保护光伏组件，并有效降低了功率损耗。

[参考文献]

[1] 肖景良，徐政，林崇，等.局部阴影条件下光伏阵列的优化设计[J].中国电机工程学报，2009，29（11）：119-124.

[2] 袁晓玲，陈宇.自适应权重粒子群算法在阴影光伏发电最大功率点跟踪（MPPT）中的应用[J].中国电力，2013，46（10）：85-90.

[3] 余良辉.光伏发电最大功率跟踪技术及并网系统研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[4] 刘邦银，段善旭，康勇.局部阴影条件下光伏模组特性的建模与分析[J].太阳能学报，2008，29（2）：188-192.

[5] GOW J A，MANNING C D.Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studies[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications，1999，146（2）：193-200.

[6] ROMAN E，ALONSO R，IBANEZ P，et al.Intelligent PV Module for Grid-Connected PV Systems[J].IEEE Transa-

ctions on Industrial Electronics，2006，53（4）：1066-1073.

[7] 周昶.光伏电池阵列模拟电源的研究与设计[D].上海：复旦大学，2010.

收稿日期：2019-04-29

作者简介：陈宇（1988—），男，河南信阳人，硕士研究生，工程师，从事站用直流系统研究工作。