基于多峰值模型優化的光伏陣列故障研究

陳宇 孔圣立

摘要：在光伏陣列的實際使用中，設備老化、局部陰影等因素會導致陣列故障現象的發生。為了消除故障對光伏陣列輸出的不利影響，提出對原有的多峰值模型進行優化處理，在光伏組件模型上并入對求解參數進行修正的旁路二極管，以提高光伏發電系統轉化效率。仿真對比分析了模型優化前后的光伏陣列輸出特性，驗證了此優化模型能有效減小系統的功率損耗。

關鍵詞：陣列故障;模型優化;參數修正;功率損耗

0? ? 引言

隨著化石能源的不斷消耗，人類已經開始重視對可再生能源的開發利用，其中太陽能有著資源豐富、分布廣闊和清潔無污染等優點，成為各國積極研發的綠色能源。光伏陣列在長期的使用中難免會出現設備老化、局部陰影等現象，其中遮蔭現象會導致陣列出現功率失配等問題，其對光伏陣列高效的電能輸出有著不利的影響[1-2]。

為了降低故障情況對功率輸出的影響，本文提出對光伏陣列的多峰值模型進行優化，使用旁路二極管以減少光伏陣列故障的發生。以局部陰影現象作為光伏陣列故障分析對象，并模擬分析外界環境條件變化來說明模型優化的重要性。通過在MATLAB/Simulink環境下建模仿真，驗證了優化后的模型在外界環境變化時仍能較好地保護陣列，使系統能高效地運行。

1? ? 光伏陣列的多峰值建模

單個光伏電池組件由于遮蔭等環境因素影響可能會造成組件工作的失效，考慮到這種情況的發生，本文以反向雪崩擊穿電壓光伏電池元的雙二極管電路模型為基礎，以此模擬單個光伏組件故障時的反向電流產生的發熱效應等[3-4]。

圖1為考慮了反向雪崩擊穿電壓的光伏電池元雙二極管的等效電路模型[5-6]，也同樣為局部陰影下的光伏電池元模型等效電路。圖中Iph為光生電流，ID1、ID2為流過兩個二極管的電流，Iv為反向雪崩擊穿電流，VD為Rsh兩端的電壓，Rsh和Rs分別為等效的并聯和串聯電阻，Voc、IL分別為光伏電池元的輸出電壓和輸出電流。

式中，Is1、A1代表反向二極管D1的品質因數和方向飽和電流;Is2、A2代表反向二極管D2的品質因數和方向飽和電流;Vbc代表雪崩擊穿電壓;α、nn為雪崩擊穿特征常數;T為光伏電池元溫度;q為電子電量，q=1.602 2×10-19 C;k為波爾茲曼常數，k=1.380 6×10-23 J/K。

假設有m×n個光伏組件光伏陣列串并聯組成光伏電池陣列，其中m為并聯支路數，n為每條支路的串聯光伏組件數。光伏陣列中的各個組件電氣特性完全相同，則可以得到光伏陣列的一般數學模型為：

2? ? 光伏陣列的模型優化

圖2是光伏組件串聯組成的光伏陣列，陣列中有個別組件由于遮蔭現象而不能給系統提供電能，反而會成為負載來消耗光伏系統的能量，這個過程中遮蔭組件會產生局部發熱現象甚至燒毀組件，極大地危害著光伏陣列的安全性能。

當光伏陣列所處工況發生變化時，可在每個光伏模塊上引入對所求解參數能做出修正的旁路二極管裝置，得到在相應工況下，參數的確定方法如下：

一般將標準測試狀態定為參考狀態，即Sref=1 000 W/m2，Tref=298 K。

3? ? 光伏陣列的仿真分析

考慮到在現實情況下溫度通常只發生緩慢的變化，所以在仿真中主要考慮光照強度發生變化的情況，針對不同光照強度的局部陰影現象，考慮到反向雪崩擊穿電壓的影響，對光伏陣列模型進行優化建模分析。在仿真中不同光伏組件給予不同的光照強度，并與原有非優化模型進行仿真比較，以此來說明優化后的作用。

仿真使用的每個單體電池功率均相同，其具體參數為：Pm=100.3 W，UOC=42.84 V，Um=35.64 V，Isc=3.14 A，Im=2.81 A，參考溫度是25 ℃，參考光照為1 000 W/m2。圖3所示為在局部陰影下模型優化的光伏陣列仿真模型，該模型是通過6塊相同規格的光伏組件串聯而成的。

對光伏陣列整體模擬4次不同的光照強度進行仿真分析，組件1和組件2在模擬中都給予恒定的光照強度1 000 W/m2，其他光伏組件在4次模擬中給予從強到弱的光照強度，溫度均為25 ℃。表1為不同情況下光伏組件的光照強度分布。

由圖4和圖5可以得知，在恒定光照的條件下，光伏陣列原有模型和優化模型的特性曲線是完全一致的，這是因為恒定均勻光照時光伏陣列不會出現失配狀況，此時優化模型的二極管處于截止狀態。

當光伏陣列的光照強度不均勻或存在其他失配狀況時，光伏陣列優化模型的I—V曲線和P—V曲線分別呈現階梯狀和多峰值現象，此時二極管處于截止狀態，光伏組件避免了自身成為負載而消耗能量;而光伏陣列原有模型的I—V曲線和P—V曲線呈單梯狀和單峰值現象，光伏組件自身成為負載而消耗能量，因此光伏陣列的輸出功率會減小（表2），嚴重時還會損壞光伏電池器件。

綜上可知，優化模型的使用能有效降低遮蔭等故障現象對系統內部功率損耗的影響，提高了光伏陣列在遮蔭條件下功率穩定輸出的可靠性。

4? ? 結語

研究建立光伏陣列局部陰影多峰值模型，由于光伏故障中的局部陰影等現象會對陣列的功率輸出產生不利影響，本文提出對原有多峰值模型進行優化，具體方法為引入具有參數修正功能的旁路二極管，以有效減少光伏陣列的內部功率損耗。仿真分析光伏陣列在模型優化前后的輸出特性，并模擬外界環境變化對優化模型的影響，結果表明，優化模型在光伏陣列發生故障時能較好地保護光伏組件，并有效降低了功率損耗。

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收稿日期：2019-04-29

作者簡介：陳宇（1988—），男，河南信陽人，碩士研究生，工程師，從事站用直流系統研究工作。