光伏陣列輸出特性的研究與分析

吳啟琴 賈學林 趙俊霞 張樂 沈克強

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。文章在單個太陽能電池研究的基礎上通過理論模型分析、模擬仿真和實驗測試，對光伏組件輸出特性受局部陰影的影響進行了分析與研究。文中利用Matlab/Simulink軟件對光伏陣列在不同光照、溫度、遮擋分布下進行輸出特性仿真，得到最大功率點位置隨外部條件變化的結果。

關鍵詞：光伏陣列；局部陰影；輸出特性；最大功率點位置

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著各國經濟的不斷發(fā)展，各國對于能源需求也呈倍增趨勢，這無疑將造成整個世界能源的短缺[1]。20世紀后期，發(fā)達工業(yè)國家開始意識到過度的開發(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。因為這些能源消耗時所釋放的有害氣體，不僅會導致嚴重的環(huán)境污染還會威脅到人類健康，所以環(huán)境污染和能源危機也將成為21世紀人類面臨的重要問題[2]。面對越來越嚴峻的能源與環(huán)境污染危機，世界各國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，太陽能利用技術是當今世界上較有發(fā)展前景的新能源技術，并在國內外獲得迅猛的發(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。當發(fā)生較為嚴重的局部遮陰時還會產生熱斑效應甚至損壞電池組件導致其電氣性能發(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注。

1 光伏電池的建模與仿真

1.1 工程數(shù)學模型

1.2 輸出特性仿真

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

在標準光照度1000W/m2，溫度25℃條件下對電池進行仿真，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，該曲線最高點即該太陽能電池最大峰值點，峰值點參數(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。

2 局部遮陰下光伏陣列輸出特性分析

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

考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際中的應用，一般要將整個系統(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，并且短時間停留無法消除。

（2）由于電線、灰塵等造成的極個別遮陰。

對于第一種情況：根據(jù)云層中間厚外圍薄的特點，設計以下局部遮陰情形，如圖4所示。以顏色的深淺代表光照強度的變化，顏色越深，表示光照強度越小，遮陰程度越嚴重。

針對圖5所示的局部陰影分布狀態(tài)，利用Matlab/Simulink軟件進行輸出特性仿真。其中，設定嚴重遮陰組件的光照度為400W/m2，較嚴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峰值點，最大功率點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；當陰影均勻分布在每一串時，即曲線陰影c，此時U-P輸出特性曲線中有4個極值點，最大功率點相比曲線陰影a大大降低；當陰影呈現(xiàn)三角分布時，即曲線陰影d，U-P輸出特性曲線也出現(xiàn)多個極值點，但比較曲線陰影c和曲線陰影d可發(fā)現(xiàn)，當陰影集中分布在同一串上時，最大功率點明顯提高。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應不同的輸出特性曲線。一般情況下，兩個完全相同的SP光伏陣列，在受遮陰組件個數(shù)和遮陰程度均相同時，其理想的累加輸出功率也一樣。但在實際電路系統(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、遮陰個數(shù)、遮陰分布均有關。從輸出曲線可見，陰影條件下陣列輸出呈多峰特點。

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

基于Matlab/Simulink軟件對以上四種狀態(tài)進行仿真。設定正常、嚴重遮陰、較嚴重遮陰、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，當個別陰影同時分布在一串時，即圖中的曲線陰影d，U-P曲線上有三個極值點，最大功率點較無陰影時有所下降；當個別陰影分布在不同串時，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 測試結果與數(shù)據(jù)分析

為獲取局部遮陰條件下光伏組件真實可靠的輸出數(shù)據(jù)，本文在南京優(yōu)珈特新能源有限公司提供的實驗平臺、硬件電路基礎上，設計了如下遮陰測試方案。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，通過從上午九點至下午四點對不同遮陰程度的組件進行工作電壓，工作電流，表面溫度的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結果如圖8和圖9所示。

圖8和圖9中67號電池作為正常組件，90號、76號、13號、86號電池組件分別對應1遮陰、1/2遮陰、1/4遮陰、1/16遮陰。由于一天時間內太陽光照與環(huán)境溫度并不穩(wěn)定，在曲線上表現(xiàn)為波動較大，故選取下午1：30到2：30圖像曲線較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進行分析。從圖8和圖9可知組件的工作電壓與遮陰程度關系密切，且隨著遮陰程度的增加，組件的工作電壓會明顯下降，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明顯減小。具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

通過測試數(shù)據(jù)與結果分析可知，對于一個大型光伏陣列，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題時，組件的工作電壓下降較為嚴重，功率失配問題也更加顯著。

4 結束語

本文基于南京優(yōu)珈特新能源有限公司的實驗平臺，先通過建立光伏電池輸出特性的工程數(shù)學模型，分析了影響光伏電池輸出特性的因素。采用單個光伏電池進行SP陣列的搭建，對不同陰影條件下陣列的輸出特性進行分析，并利用Matlab/Simulink軟件工具對光伏陣列的輸出特性進行仿真驗證。通過測試可知，當個別陰影同時分布在一串時，U-P曲線上有三個極值點，最大功率點較無陰影時有所下降；當個別陰影分布在不同串時，U-P曲線中輸出功率相比之前也會有所降低。由此可見，對于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：

[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].機械制造與自動化，2012，41（2）：157-159.

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

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