局部光照條件下光伏陣列優化設計

霍富強， 陳娜娜， 程　勇， 王國軍(許繼集團有限公司，河南許昌461000)

局部光照條件下光伏陣列優化設計

霍富強， 陳娜娜， 程勇， 王國軍
(許繼集團有限公司，河南許昌461000)

由于光伏發電系統所處環境的復雜化，無法保證光伏陣列不被遮擋而產生局部光照。局部光照導致光伏陣列輸出功率下降、組串功率特性復雜化及常規最大功率追蹤效果不佳。提出了優化光伏陣列結構的方法，使各組串輸出功率最大，提高陣列輸出功率。分析了優化光伏陣列結構的方法和模糊自適應控制方法，仿真結果表明：優化光伏陣列結構，使光伏陣列各組串輸出功率最大，提高了光伏陣列的輸出功率。該方法為光伏發電系統工程設計提供了借鑒。

局部光照；光伏陣列；優化設計；模糊自適應

太陽能是一種綠色環保能源，利用太陽能發電的光伏發電技術發展迅猛。隨著光伏發電系統建設環境復雜化(建筑物密集、污垢嚴重和光伏陣列美觀要求等)，無法保證光伏陣列不被遮擋而產生局部光照。局部光照造成光伏陣列受光不均，極易導致陣列輸出功率損失和陣列失配及熱斑效應等問題[1-2]。因此，研究局部光照條件下光伏陣列輸出特性和結構具有重要的實際意義。

局部光照對光伏陣列輸出特性影響很大，尤其使陣列功率-電壓(P-V)特性由單峰曲線變為多峰曲線，造成全局峰值功率損失和局部峰值對功率控制干擾。目前減弱局部光照對光伏陣列影響的方法主要是將集中式發電系統改為組串式發電系統和優化最大功率跟蹤算法[3-4]，一定程度上提高了光伏發電系統功率，但并不能保證光伏陣列各組串輸出功率最大。本文提出了優化光伏陣列結構的方法，提高各陣列各組串輸出功率，最大限度提高陣列輸出功率，并通過仿真分析論證了該方法的正確性。該方法對提高光伏發電運行效率和減弱熱

1 局部光照條件下光伏陣列特性分析

1.1光伏陣列結構類型

圖1　光伏陣列結構示意圖

光伏陣列是串并聯光伏組件的組合；陣列結構主要有串聯、并聯、串并聯(SP)和TCT(total cross-tied)[5-6]等類型，如圖1所示。串聯陣列中各組件電流相等，受光不均的組件變為負載消耗陣列產生的電能，降低陣列輸出功率，陣列對光照強度較為敏感。并聯陣列中各組件電壓相等，受光不均組件不影響其他組件正常工作，陣列對光照強度不敏感。串并聯陣列集合了串聯和并聯陣列優點，陣列對光照強度較為敏感。TCT陣列中流經各節點的電壓和電流之和相等，陣列對光照敏感較弱但陣列結構較為復雜。串并聯陣列結構簡單、易于實現、應用廣泛且具有一定代表性，本文選用串并聯光伏陣列結構進行優化設計。

1.2局部光照條件下光伏陣列特性

串并聯陣列如圖1(c)所示，陣列由P1、P2和P3光伏組串組成，每個組串由4個光伏組件串聯組成。假設PV23組件處于局部光照，PV23組件工作電壓和短路電流Isc降低；若負載較小，各組件正常發電，都能輸出功率，旁路二極管不起作用；若負載較大，I＆gt;Isc23且I＆lt;Isc21，I＆lt;Isc22，I＆lt;Isc24，組件PV21、PV22、PV24正常發電，組件PV23以熱量形式消耗陣列功率，旁路二極管D23導通，如圖1(c)虛框部分，此時PV23承受反壓，V23＆lt;0；若負載繼續增大，PV23消耗更多功率，熱量積累到一定程度出現熱斑效應甚至破壞組件，影響陣列正常安全。

均勻光照時陣列電流-電壓(I-V)和P-V特性曲線如圖2 的curve1所示，P-V曲線為單峰曲線，具有唯一最大峰值；受光不均組件的旁路二極管導通時陣列輸出特性如圖2的curve2所示，I-V曲線呈現階梯狀，P-V曲線具有唯一最大峰值但具有局部峰值，局部峰值極易干擾最大功率跟蹤控制，導致陣列輸出功率損失；受光不均組件旁路二極管未導通時，陣列輸出特性如圖2的curve3所示，P-V曲線為單峰曲線，受光不均組件消耗陣列功率，導致陣列輸出功率損失。

圖2　　局部光照條件下光伏陣列特性曲線

局部光照是一個復雜現象，局部光照程度不同光伏陣列輸出特性不同，即使光伏組串并聯，也不能保證每個光伏組串都工作在最大功率狀態。研究表明[7]，局部光照條件時，優劣結構光伏陣列輸出功率差別高達35％。為此，本文提出了優化光伏陣列結構的方法使光伏陣列各組串輸出功率最大，整體提高光伏陣列輸出功率。

2 光伏陣列結構優化方法

圖3　優化光伏陣列結構的發電系統結構

圖4　自適應模糊控制算法流程

在圖1(c)中，串并聯陣列由P1、P2和P3光伏組串并聯構成。光伏陣列最大功率實質為并聯光伏組串電壓相等時功率之和的最大值。局部光照條件下，受光不均的光伏組串工作電壓低于陣列電壓即該組串輸出功率并非最大，那么光伏陣列輸出功率也并非最大。本文采用優化光伏陣列結構的方法，將Boost變流器串接于光伏組串，通過直流斬波使組串電壓和陣列電壓相等，使光伏組串工作在最大功率狀態，整體提高光伏陣列輸出功率[8]。

優化光伏陣列結構的發電系統結構如圖3所示，主要包括光伏陣列、Boost變流器和逆變器及負載?？刂破鞑捎米赃m應模糊控制算法使組串電壓逼近陣列電壓，其基本原理是：控制器動態計算組串電壓與陣列電壓差值，并將該值局部線性化；根據局部線性模糊值和模糊規則，動態修正Boost變流器PWM波占空比D，使組串電壓逐步逼近陣列電壓，確保各光伏組串輸出功率最大，進而提高光伏陣列輸出功率；局部光照是一個復雜模糊現象，為提高控制器控制品質和對環境自適應能力，采用表格查詢學習算法動態優化模糊規則，自適應最優模糊規則[9]。自適應模糊控制算法流程如圖4所示，這種算法計算速度快，逼近精度高；能快速響應外界環境變化，減弱在理想電壓處振蕩；兼顧速度和精度。

利用Matlab對優化光伏陣列結構的發電系統進行驗證，并結合傳統陣列結構的發電系統分析。優化光伏陣列結構的發電系統結構如圖3，光伏組件功率為30 W，Boost變流器頻率2 kHz，標準光照強度1 000 W/m2，1.3 s時光照強度逐步變為700 W/m2，即PV23組件處于局部光照。局部光照條件下，優化和傳統陣列結構光伏發電系統功率和受光不均組串電壓仿真結果如圖5和圖6所示，由圖可知，兩種結構的穩態性能基本一致，優化結構的陣列輸出功率在1.3 s后略有波動，1.7 s時趨于平穩，最終輸出功率約345 W；傳統結構陣列最終輸出功率約310 W?？偟膩碚f，優化光伏陣列結構的發電系統，其動態和穩態性能滿足要求，且功率提高約10％。

圖5　優化光伏陣列結構的發電系統仿真

3 結論

本文研究了局部光照條件下光伏陣列輸出特性，分析了功率損失原因，提出了優化光伏陣列結構的方法并進行仿真分析。仿真表明：局部陰影光照下，優化光伏陣列結構，將Boost變流器串接于光伏組串，各光伏組串輸出功率最大，整體提高光伏陣列輸出功率；與傳統陣列結構的發電系統相比，輸出功率明顯提高。光伏陣列組串串接Boost變流器，設計簡單，易于實現，對于串并聯光伏陣列具有較好的適用性，對光伏系統的運行具有一定的參考價值。

圖6　　傳統光伏陣列結構的發電系統仿真

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Optimal design of photovoltaic arrays under partial illumination

HUO Fu-qiang,CHEN Na-na,CHENG Yong,WANG Guo-jun
(XJ Group Corporation,Xuchang Henan 461000,China)

As complexing of potential application areas of photovoltaic generation systems,photovoltaic array maybe be obscured to produce partial shading illumination.The partial illumination could decreased the output power of photovoltaic array,and the power characteristics of the photovoltaic array-string would be complicated,more over normal maximum power point tracking method was not very effective,so it needed a method that optimized the photovoltaic array configuration to improve power of the photovoltaic photovoltaic string under partial illumination,and eventually improved the array output power.The optimized method of the structure of photovoltaic array and the method of the fuzzy adaptive control were analyzed,that could improve power of the PV photovoltaic string.The simulation results show that the optimization of photovoltaic array structure can improve the photovoltaic array output power.The proposed design method provided strong support for the engineering design of photovoltaic systems.

partial illumination;photovoltaic array;optimal design;fuzzy adaptive

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0138-03

2015-06-05

霍富強(1984-)，男，河南省人，碩士，工程師，主要研究方向為光伏并網逆變器、電力系統及繼電保護。斑效應具有重要的實際意義。