陰影影響下串聯光伏組件輸出特性分析

趙 辰 常宇健

（石家莊鐵道大學電氣與電子工程學院 河北石家莊 050043）

1 引言

光伏發電系統是由光伏組件、控制器、逆變器和儲能裝置等構成。光伏電池元是光伏組件最基本的單元，光伏電池元的輸出電壓大約為0.5V，容量較小，為了獲得較大容量，通常把幾十個甚至上百個光伏電池元進行串并聯封裝在一起構成光伏組件，光伏組件是光伏發電系統中的核心部件。隨著光伏發電技術的廣泛應用，光伏發電系統所處的環境也隨之變得復雜，光伏陣列容易受到建筑物、樹木、云層和鳥禽排泄物等所產生陰影的影響，使光伏陣列的輸出特性變差，輸出能量的能力變低，嚴重的情況下形成“熱斑”現象，損壞了光伏電池，降低了光伏電池的使用壽命；同時，由于光伏陣列工作在局部陰影的條件下，使其伏安特性曲線呈階梯形狀，而功率特性曲線呈現多峰值形狀，使常規的最大功率點跟蹤方法失效，陷入局部極值點。故研究局部陰影條件下串聯光伏組件的輸出特性對于光伏發電系統的MPPT和轉化效率至關重要。

圖1 光伏陣列結構示意圖

本文以光伏組件工程模型為基礎，結合電路理論知識，對帶有旁路二極管的光伏組件串處于局部陰影時，根據旁路二極管的導通與關斷兩個階段進行了詳細的理論分析，從而得到了用分段函數描述處于局部陰影下的光伏組件的電流輸出特性方程；最后，用實測與仿真的結果進行對比，結果證明了分段函數可以準確地描述處于局部陰影條件下的串聯光伏組件。

2 局部陰影下光伏組件模型

在實際應用中，光伏電池的生產廠家只提供本產品在標準測試條件下的開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Um的數值。本文選擇文獻[1]中提供的工程數學模型如下：

當光伏陣列中，各個光伏組件特性相同時，由NS×NP個光伏組件構成的光伏陣列和單個光伏組件之間的關系[2]如式（2）所示：

式中：U、I、P為單個光伏組件的輸出電壓、電流和功率，Ua、Ia、Pa為光伏陣列的輸出電壓、電流和功率。

因此，在同一光照下光伏陣列的數學模型可以用方程(3)來表示：

當光伏陣列工作在局部陰影條件時，公式不在適用。

由于光伏電池對光照的變化比較敏感，在陰影的條件下，接受光照較低的光伏電池電壓反偏，不在給負載提供能量，反而作為光伏系統的負載吸收其它正常光伏電池產生的功率，陰影下的光伏電池產生熱量，使光伏陣列中產生“熱斑”現象，降低了光伏系統輸出功率和光伏電池使用壽命[3]。為了避免熱斑現象，在實際情況下采用在光伏組件兩端并聯一個旁路二極管，由于在光伏組件兩端并聯了二極管，使得光伏陣列輸出特性曲線發生了變化。此外，在光伏組件的串聯支路與另一個串聯支路并聯前，需要先串聯一個防逆二極管以防止光伏陣列輸出功率過低時功率倒送對光伏組件的損害[4]。圖1是一個典型的光伏陣列結構示意圖，尺寸為NS×NP，其中，Ds為旁路二極管，Dp為防逆二極管。

將單串陣列中具有相同光照和溫度的電池板稱為子串；將具有相同遮擋模式的單串陣列并聯在一起稱之為子陣列。選取只有2個子串串聯的單串光伏電池為基本單元建立串聯光伏組件的數學模型[5]。正常光照的子串稱為Z1，被遮擋的子串稱為Z2，在非均勻光照強度下，子串Z1產生的電流Isc1不等于子串Z2產生的電流Isc2，并且Isc1>Isc2。

在外界光照強度、溫度及光伏陣列拓撲結構等因素不變時，光伏陣列工作在輸出特性曲線的什么位置由外界負載阻值決定。當外界負載阻值很小時，組件工作在大電流條件下，Z1迫使Z2流過比Isc2更大的電流，此時Z2的光伏電池受反壓，使對應的旁路二極管導通，對Z2起到旁路保護作用，此時，只有組件Z1對外輸出功率，而組件Z2及其對應的旁路二極管成為Z1的負載。隨著外接負載不斷增大，組件將工作在小電流條件下，組件的電流小于或者等于Z2產生的光生電流，其對應的旁路二極管開始形成反向偏壓而截止，此時光伏組件Z1和Z2同時工作，向負載提供能量[6]。

綜上所述，由2個子串串聯的光伏組件電流方程可以用分段函數表示：

因此，根據式(3)和式(4)，可以得到在任意陰影條件下光伏陣列的數學模型為：

式中Ix、Ux為式中提供的單串陣列模型

2 實驗驗證及仿真分析

圖2 測試電路圖

圖3 實驗平臺

圖4 均勻光照下的光伏組件輸出特性曲線

為了驗證上述模型的正確性，本文采用實驗測試數據與計算機仿真進行比較。光伏組件采用的是由山東博泰公司生產的BTSM-180M型號，在標準測試條件下的參數為：最大輸出功率Pm為180W、開路電壓Uoc為43.2V，短路電流Isc為5.6A，最大功率點電壓Um為35.9V，最大功率點電流Im為5.0A，它是由72個光伏電池元串聯構成，每24個光伏電池元反并聯一個二極管。測試電路圖如圖2所示，測試方法為將CH8715型號直流電子負載作為光伏組件的負載，通過不斷調節直流電子負載的阻值來改變等效光伏負載的阻值大小，從而得到光伏組件不同負載阻值狀態下的輸出的電壓、電流值。用SM206型號太陽能功率計測量光伏組件的光照強度，用Ti400型號紅外熱像儀測試光伏組件的溫度，實驗平臺如圖3所示。

圖中各個各個散點為實測點，圖中曲線是由計算機仿真得到的。圖4是光伏組件在均勻光照情況下的輸出特性。表1是對圖4中不同測試條件下光伏組件輸出特性分析的結果。

表1 均勻光照下的光伏組件的測試與仿真結果

圖4(a)和圖4(b)分別是光伏組件在不同的均勻光照強度和溫度下的實測與仿真曲線。表1是對實測和仿真情況下的輸出特性的分析，從圖4中可以看出光伏電池既不是恒流源也不是恒壓源，是一種非線性直流電源，伏安特性曲線呈單膝狀，而功率特性曲線呈單峰狀，存在一個最大功率點,實測與仿真得到的結果一致，實測曲線與仿真曲線在最大功率點處誤差不大于1%。

圖5 陰影下光伏組件串輸出特性曲線

圖5是兩個光伏組件串聯時將其中一個光伏組件被陰完全遮擋影時的輸出特性。表2是對圖5中不同測試條件下光伏組件輸出特性分析的結果。

表2 陰影下光伏組件串的測試與仿真結果結果

由于存在測量誤差，造成由實測與仿真的特性曲線存在很小的偏差，光伏組件受到外界環境的變化造成輸出特性曲線變化趨勢，仿真與實驗得出的結果是一致的。說明了分段函數可以準確地描述處于局部陰影條件下的串聯光伏組件。同時，與均勻光照下的輸出特性相比，處于局部陰影下的光伏組件的功率特性曲線存在兩個峰值，使得傳統的最大功率點跟蹤算法失效，易陷入局部極值點，損失了真正的最大功率點。

3 結語

本文以光伏電池的工程模型為基礎，通過對光伏電池旁路二極管的導通與關斷兩個階段進行了詳細的理論分析，從而得到了光伏組件及光伏陣列處于局部陰影時其輸出特性方程，最后，用實測與仿真的結果進行對比，結果證明了該方法所建立模型的正確性。得到的結論如下：（1）根據光伏組件的工程模型所建立的仿真模型能夠準確的放映光伏電池的輸出特性，同時具有通用性；（2）局部陰影會造成光伏組件輸出能力下降，使得伏安特性曲線呈階梯狀，功率特性曲線呈多峰值狀，局部陰影下的光伏陣列的數學模型可以用分段函數較準確地描述；（3）在局部陰影條件下，串聯光伏組件的伏安特性曲線呈階梯狀，而功率特性曲線呈多峰值狀，使得常規的MPPT算法無法真正的跟蹤到最大功率點，可能造成最大輸出功率的損失，故尋找具有全局尋優的最大功率跟蹤算法是今后一個重要的研究方向。