陰影遮擋下的光伏組件特性分析

陽光電源股份有限公司 ■ 陶磊 王艾 孫龍林 汪晶晶

0 引言

近年來，由于國際能源危機越來越嚴峻，太陽能、風能等清潔能源因其具有分布廣泛、無污染、使用方便等優點，受到各國政府的普遍認同[1-4]，各種規模的光伏電站、風力電站也應運而生。然而，光伏發電在發展過程中也遇到了許多問題，比如陰影遮擋、光伏組件PID效應、失配等[5-7]。其中陰影遮擋對光伏組件功率輸出的影響更是亟待解決。光伏組件的輸出特性對光伏組件的功率輸出非常重要，會影響到光伏逆變器能否搜索到真正的最大功率點[8-12]。現有的論文大多通過構建模型(包括工程模型)來得到不同光照和溫度條件下光伏組件的輸出特性，或通過設定一些條件來改變光伏組件的輸出特性，進而研究光伏組件的功率搜索問題。本文在一般工程用光伏組件模型的基礎上，結合現場光伏電站的排布方式，分析現場幾種較為常見的排布方式，并分析光伏陣列在陰影遮擋情況下的輸出特性。

1 光伏電站現場光伏陣列排布情況

1.1 光伏陣列的第一種常見排列方式

光伏陣列的第一種排列方式如圖1所示。其中，20～22塊組件為一排，兩列由一個支架搭建。

圖1 光伏陣列的第一種排列方式

光伏陣列的第一種排列方式的遮擋示意圖如圖2所示，該遮擋方式為縱向遮擋。

圖2 光伏陣列的第一種排列方式遮擋示意圖

1.2 光伏陣列的第二種常見排列方式

光伏陣列第二種排列方式如圖3所示。相鄰兩列的組件串聯，到中間10塊組件串聯后為1串，相鄰2串再并聯。

圖3 光伏陣列的第二種排列方式

光伏陣列的第二種排列方式的遮擋示意圖如圖4所示。

圖4 光伏陣列的第二種排列方式遮擋示意圖

與第二種排列方式相比，第一種排列方式更多被現場光伏電站所采用。因此，本文主要研究第一種排列方式及其在陰影遮擋時的輸出特性。

2 常見遮擋情況下光伏陣列的工程模型

單塊光伏組件由60個電池單體串聯而成，每20個電池單體反并聯一個旁路二極管，其示意圖如圖5所示。對于單塊光伏組件來說，縱向遮擋時，該電池組件的所有遮擋和未遮擋的單體輸出特性相同，不同遮擋面積時的輸出特性見圖6。

圖5 單塊光伏組件結構示意圖

圖6 單塊光伏組件縱向遮擋示意圖

在遮擋強度和面積一定時，組件輸出特性為單峰，即各單體的輸出特性相同。因此，以單塊組件為最小單元。

選擇光伏組件工程模型作為研究對象，其表達式如式(1)所示[4,7]：

式中，I為單塊光伏組件的輸出電流；Isc為單塊光伏組件的短路電流；Voc為單塊光伏組件的開路電壓；Vmpp、Impp分別為單塊光伏組件最大功率點處的電壓和電流。

設光伏組串string中共有N塊光伏組件，以單塊組件為最小單元，則該string共有N個單元。假定被遮擋的單元有M個，且該M個遮擋單元的遮擋程度和組件溫度相同，同時未遮擋單元的光照強度和溫度也相同，則M個遮擋單元的工作狀態完全相同，N–M個未遮擋單元工作狀態也完全相同。

若無旁路二極管，則遮擋后該string上的總輸入電壓Vs在各單元上的電壓分配結果是使得流過N個串聯單元的電流大小相等。根據這一特性對遮陰下被遮擋單元的端電壓進行求解，可證明旁路二極管接入的必要性，同時確定旁路二極管參與工作的電壓區間。

假定string兩端所加電壓為Vs，且N≠M。由前面的分析可知，M個遮擋單元的端電壓均相等，假定為Vx，則N–M個未遮陰單元的端電壓也相等，為 (Vs-M×Vx)/(N–M)。

遮擋單元的輸出電流為：

式中，I1為被遮擋單元的輸出電流；Isc1為單塊被遮擋單元的短路電流。

未遮擋單元的輸出電流為：

式中，I2為未遮擋單元的輸出電流；Isc2為單塊未遮擋單元的短路電流。

根據串聯電流相等可得：

化簡式(4)得：

令：

則式(4)可進一步化簡為：

圖7 旁路二極管動作臨界點求解示意圖

3 縱向遮擋下電池板特性分析

如圖7所示，對于任意string電壓Vs，由點(Vs，g(Vs))向曲線f(V)做平行于水平軸的直線，直線與f(V)的交點對應的橫坐標Vx即為對應組串被遮擋單元穩態時的端電壓。假定string兩端電壓為Vs0時，對應的穩態時遮擋單元兩端電壓為0(不計旁路二極管導通形成的負壓降)。則由圖7可見，當組串電壓小于Vs0時(如圖中Vs1)，穩態時被遮擋單元兩端的電壓為負，即從其余光伏組件吸收能量，從而引發熱斑效應。

為了防止被遮擋單元持續發熱，增加的旁路二極管可在Vs＜Vs0時，旁路被遮擋單元；當Vs＞Vs0時，被遮擋單元兩端電壓大于0，旁路二極管退出工作，被遮擋單元與未被遮擋單元一起輸出能量。

為求得二極管動作電壓的臨界值，令Vx=0，由式(7)得：

由式(8)得被遮擋單元的二極管動作電壓臨界值為：

下面分析Vs0隨遮擋單元數及遮擋后光照強度的變化規律。

標準測試條件(STC)及實際工況下光伏組件和遮擋光伏組件(被遮擋面積為1/4)的參數如表1所示。

表1 光伏組件參數

首先以兩塊光伏組件為例，遮擋其中一塊組件，即N=2、M=1。遮擋和未遮擋單元的光照強度如表1所示，計算得相關參數如表2所示(下標1為被遮擋的單元，2為未被遮擋單元)；再將表2計算結果代入式(9)，可算得旁路二極管動作點對應電壓Vs0=32.7598 V。對該遮擋情況進行仿真，得遮擋后I-V曲線如圖8所示。

由圖8可見，兩塊組件串聯，當其中一塊被縱向遮擋時，I-V特性分為兩部分。當電壓低于Vs0時，被遮擋單元被旁路二極管旁路，光伏組串的工作情況為1個未遮擋組件與3個旁路二極管串聯工作，故此時的I-V特性近似等效為1個組件的I-V特性(忽略旁路二極管壓降)；當電壓大于Vs0時，被遮擋單元不再承受負壓，旁路二極管退出工作，因為串聯關系，此時光伏組串總的輸出電流被遮擋單元的電流拉低，此時I-V曲線主要由遮擋單元的I-V曲線決定。

表2 參數計算

圖8 兩塊光伏組件縱向遮擋仿真I-V曲線

圖9為其P-V特性。在Vs0左側總的輸出特性近似為未被遮擋組件的輸出特性，功率偏差是由旁路二極管上的壓降引起的功率損耗。因此組串總輸出曲線左側的MPP點與未被遮擋組件的MPP點接近，且在Vs0左側。如圖9所示，在該情況下，左側的MPP點即為整個組串的最大功率點。當電壓大于Vs0后，被遮擋組件開始輸出功率，此時由于串聯，電流被遮擋單元拉低，因此，未遮擋單元的輸出功率也被拉低，并在Vs0右側也會形成一個MPP點。

圖9 兩塊電池板縱向遮擋仿真P-V曲線

圖10 實驗情況

圖11 實驗波形

為驗證上述仿真的有效性，進行了如圖10所示的兩塊光伏組件串聯；其中一塊縱向遮擋的實驗，實驗波形如圖11所示。

由實驗波形可見，兩塊光伏組件串聯，其中一塊組件縱向遮擋時，整體輸出P-V曲線呈雙峰特性，與仿真波形一致。

如前所述，在串聯組串中，若有被縱向遮擋的組件(遮擋特性相同)，組串的輸出特性將出現雙峰，在遮擋單元旁路二極管動作時，組串總的輸出特性近似為未被遮擋組件的輸出特性。當電壓高于Vs0時，被遮擋組件的旁路二極管不再動作，此時組串的總輸出電流被遮擋單元的輸出電流箝位。由于兩個MPP點分別位于Vs0的左、右兩側，因此確定Vs0的位置對于確定MPP點電壓位置有很大幫助。故接下來分析遮擋單元數及遮擋后的光照強度與該電壓點之間的關系。

首先固定遮擋前后光伏組串上的光照強度，如表1所示，改變被遮擋的單元數，則可得旁路二極管動作電壓臨界值對應string端電壓Vs0隨遮擋單元數的變化情況，如圖12所示。可見Vs0隨被遮擋單元的增加而減小。圖12a同時給出了遮擋后最大功率點電壓Vmpp，New曲線和無遮擋情況下的原MPP電壓Vmpp，Org曲線。可見，一開始在此遮擋強度下，Vs0始終高于Vmpp，New，即此時全局最大功率點在轉折點電壓Vs0左側；當被遮擋單元數增加到一定值時，Vmpp，New發生突變，且大于轉折點電壓Vs0，此時全局最大功率點在轉折點電壓右側。

圖13給出了不同遮擋單元數下，改變被遮擋單元的輻照度時，Vs0的變化情況。該組串總的光伏組件個數為22個，其中圖13a、13b、13c、13d的被遮擋單元分別為3、6、9、16個，可見Vs0隨被遮擋單元輻照度的增強而減小。為了便于對比，圖中給出了遮擋后組串的最大功率點Vmpp，New和原未遮擋時的最大功率點Vmpp，Org的波形。由圖可見，當被遮擋單元輻照度相對未遮擋單元輻照度較小時，Vs0始終大于Vmpp，New，此時最大功率點在Vs0左側；當被遮擋單元輻照度和未遮擋單元輻照度接近時，Vs0低于Vmpp，New，即此時真正的最大功率點可能出現在Vs0的右側，且最大功率值相對未遮擋下的減小值也將較小。

圖13 不同輻照度對Vs0的影響

4 結論

本文在分析現場光伏電站光伏組件排列方式的基礎上，分析了其中一種最為常見排列方式的光伏組件在遮擋情況下的輸出特性。通過仿真給出了光伏組串在遮擋下輸出的最大功率點電壓與串聯光伏組件的關系，及多峰時轉折點電壓與光照強度變化的關系，得到最大功率點電壓和轉折點電壓的特性，有助于光伏逆變器準確和快速的搜索到最大功率點。

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