光伏陣列輸出特性的研究與分析

吳啟琴 賈學(xué)林 趙俊霞 張樂(lè) 沈克強(qiáng)

摘 要：光伏發(fā)電易受到外界環(huán)境的影響發(fā)生故障，造成輸出功率大幅下降。文章在單個(gè)太陽(yáng)能電池研究的基礎(chǔ)上通過(guò)理論模型分析、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)光伏組件輸出特性受局部陰影的影響進(jìn)行了分析與研究。文中利用Matlab/Simulink軟件對(duì)光伏陣列在不同光照、溫度、遮擋分布下進(jìn)行輸出特性仿真，得到最大功率點(diǎn)位置隨外部條件變化的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；局部陰影；輸出特性；最大功率點(diǎn)位置

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各國(guó)對(duì)于能源需求也呈倍增趨勢(shì)，這無(wú)疑將造成整個(gè)世界能源的短缺[1]。20世紀(jì)后期，發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家開始意識(shí)到過(guò)度的開發(fā)自然，以消耗原油、煤礦等不可再生資源的做法已急需改變。因?yàn)檫@些能源消耗時(shí)所釋放的有害氣體，不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染還會(huì)威脅到人類健康，所以環(huán)境污染和能源危機(jī)也將成為21世紀(jì)人類面臨的重要問(wèn)題[2]。面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的能源與環(huán)境污染危機(jī)，世界各國(guó)都在不斷的尋找清潔、可持續(xù)利用的新型能源，而電能作為一種清潔、可再生能源，是化石類能源很好的替代品。因此，太陽(yáng)能利用技術(shù)是當(dāng)今世界上較有發(fā)展前景的新能源技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)外獲得迅猛的發(fā)展。

光伏組件易受周圍建筑、電線、灰塵、烏云等外部因素的遮擋造成光照不均的局部陰影，使光伏陣列的輸出功率降低。當(dāng)發(fā)生較為嚴(yán)重的局部遮陰時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱斑效應(yīng)甚至損壞電池組件導(dǎo)致其電氣性能發(fā)生變化。因此，陰影情況下的組件及陣列的仿真分析得到了極大關(guān)注。

1 光伏電池的建模與仿真

1.1 工程數(shù)學(xué)模型

1.2 輸出特性仿真

本文研究的光伏電池型號(hào)為STP265-20/Wem（GradeA-1），各輸出參數(shù)如表1所示。

在標(biāo)準(zhǔn)光照度1000W/m2，溫度25℃條件下對(duì)電池進(jìn)行仿真，輸出特性曲線如圖2所示。

圖2知U-P輸出特性曲線為單峰曲線，該曲線最高點(diǎn)即該太陽(yáng)能電池最大峰值點(diǎn)，峰值點(diǎn)參數(shù)為電壓 Ump、電流 Imp和功率 Pmp。理想情況下，要求光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)。

2 局部遮陰下光伏陣列輸出特性分析

基于太陽(yáng)能電池輸出特性的工程模型進(jìn)行SP陣列的搭建，分別對(duì)不同陰影條件下的陣列輸出進(jìn)行仿真，并對(duì)比分析。SP陣列模型如圖3所示。

考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用，一般要將整個(gè)系統(tǒng)建立在較為空曠的地方，因此，光伏陣列受到的遮陰一般有以下兩種情況：

（1）由于云層遮擋使得陰影集中在某一區(qū)域內(nèi)，并且短時(shí)間停留無(wú)法消除。

（2）由于電線、灰塵等造成的極個(gè)別遮陰。

對(duì)于第一種情況：根據(jù)云層中間厚外圍薄的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以下局部遮陰情形，如圖4所示。以顏色的深淺代表光照強(qiáng)度的變化，顏色越深，表示光照強(qiáng)度越小，遮陰程度越嚴(yán)重。

針對(duì)圖5所示的局部陰影分布狀態(tài)，利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行輸出特性仿真。其中，設(shè)定嚴(yán)重遮陰組件的光照度為400W/m2，較嚴(yán)重遮陰組件的光照度為600W/m2，輕微遮陰組件的光照度為800W/m2，正常組件的光照度為1000W/m2，得到如圖6所示的仿真結(jié)果。

由圖5知，若陰影集中串聯(lián)分布，如曲線陰影b，此則U-P輸出特性曲線中有三個(gè)峰值點(diǎn)，最大功率點(diǎn)相比正常曲線明顯降低，U-I特性曲線呈現(xiàn)階梯減小的特點(diǎn)；當(dāng)陰影均勻分布在每一串時(shí)，即曲線陰影c，此時(shí)U-P輸出特性曲線中有4個(gè)極值點(diǎn)，最大功率點(diǎn)相比曲線陰影a大大降低；當(dāng)陰影呈現(xiàn)三角分布時(shí)，即曲線陰影d，U-P輸出特性曲線也出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)，但比較曲線陰影c和曲線陰影d可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰影集中分布在同一串上時(shí)，最大功率點(diǎn)明顯提高。由圖5分析可知，受遮陰的SP光伏陣列，不同的遮陰分布則對(duì)應(yīng)不同的輸出特性曲線。一般情況下，兩個(gè)完全相同的SP光伏陣列，在受遮陰組件個(gè)數(shù)和遮陰程度均相同時(shí)，其理想的累加輸出功率也一樣。但在實(shí)際電路系統(tǒng)中，不同遮陰分布的輸出特性差異很大，輸出效率與遮陰度、遮陰個(gè)數(shù)、遮陰分布均有關(guān)。從輸出曲線可見，陰影條件下陣列輸出呈多峰特點(diǎn)。

對(duì)于第二種情況：根據(jù)灰塵的隨機(jī)性特點(diǎn)，主要分析三種遮陰分布，如圖6所示。

基于Matlab/Simulink軟件對(duì)以上四種狀態(tài)進(jìn)行仿真。設(shè)定正常、嚴(yán)重遮陰、較嚴(yán)重遮陰、輕微遮陰組件的光照度分別為1000W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2，四種陰影下光伏陣列的U-I和U-P輸出特性曲線如圖7所示。

從圖7可看出，當(dāng)個(gè)別陰影同時(shí)分布在一串時(shí)，即圖中的曲線陰影d，U-P曲線上有三個(gè)極值點(diǎn)，最大功率點(diǎn)較無(wú)陰影時(shí)有所下降；當(dāng)個(gè)別陰影分布在不同串時(shí)，即如曲線陰影c，在U-P輸出特性曲線中輸出功率相比曲線陰影d有所降低。比較曲線陰影c和d可見，對(duì)于SP光伏陣列，局部遮陰組件在陣列中的分布越均勻，陣列總輸出功率受到的影響就越大。

3 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

為獲取局部遮陰條件下光伏組件真實(shí)可靠的輸出數(shù)據(jù)，本文在南京優(yōu)珈特新能源有限公司提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、硬件電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了如下遮陰測(cè)試方案。首先，人為的制造遮陰程度分別為1/16遮陰、1/4遮陰、1/2遮陰和1遮陰，通過(guò)從上午九點(diǎn)至下午四點(diǎn)對(duì)不同遮陰程度的組件進(jìn)行工作電壓，工作電流，表面溫度的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8和圖9中67號(hào)電池作為正常組件，90號(hào)、76號(hào)、13號(hào)、86號(hào)電池組件分別對(duì)應(yīng)1遮陰、1/2遮陰、1/4遮陰、1/16遮陰。由于一天時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)光照與環(huán)境溫度并不穩(wěn)定，在曲線上表現(xiàn)為波動(dòng)較大，故選取下午1：30到2：30圖像曲線較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從圖8和圖9可知組件的工作電壓與遮陰程度關(guān)系密切，且隨著遮陰程度的增加，組件的工作電壓會(huì)明顯下降，組件的表面溫度也有不同程度的增加，受遮陰的光伏組件所在串的串電流會(huì)明顯減小。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果分析可知，對(duì)于一個(gè)大型光伏陣列，若在光伏電池板上空出現(xiàn)大面積云彩遮擋或大面積泥水積累等問(wèn)題時(shí)，組件的工作電壓下降較為嚴(yán)重，功率失配問(wèn)題也更加顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于南京優(yōu)珈特新能源有限公司的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，先通過(guò)建立光伏電池輸出特性的工程數(shù)學(xué)模型，分析了影響光伏電池輸出特性的因素。采用單個(gè)光伏電池進(jìn)行SP陣列的搭建，對(duì)不同陰影條件下陣列的輸出特性進(jìn)行分析，并利用Matlab/Simulink軟件工具對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)試可知，當(dāng)個(gè)別陰影同時(shí)分布在一串時(shí)，U-P曲線上有三個(gè)極值點(diǎn)，最大功率點(diǎn)較無(wú)陰影時(shí)有所下降；當(dāng)個(gè)別陰影分布在不同串時(shí)，U-P曲線中輸出功率相比之前也會(huì)有所降低。由此可見，對(duì)于SP光伏陣列，局部遮陰組件在陣列中分布地越均勻，陣列總輸出功率受到的影響就越大。

參考文獻(xiàn)：

[1]Liserre M， Sauter T， Hung J Y. Future Energy Systems： Integrating Renewable Energy Sources into the Smart Power Grid Through Industrial Electronics[J]. Industrial Electronics Magazine IEEE， 2010，4（1）：18-37.

[2]Zhang J Y， Da L I， Yang P， et al. Development trend analysis of photovoltaic power generation[J]. Renewable Energy Resources， 2014.

[3]Tabanjat A， Becherif M， Hissel D. Reconfiguration Solution for Shaded PV Panels Using Fuzzy Logic[M]// ICREGA'14-Renewable Energy： Generation and Applications. Springer International Publishing， 2014：161-177.

[4]范發(fā)靖，袁曉玲.基于MATLAB的光伏電池建模方法的比較[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2012，41（2）：157-159.

[5]馮麗娜.局部陰影下光伏陣列的建模與動(dòng)態(tài)組態(tài)優(yōu)化[D].山東大學(xué)，2012.

[6]張商州，劉寶盈，徐曉龍.光伏陣列數(shù)學(xué)模型的建立與分析[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（7）：192-194.