基于多峰值模型優(yōu)化的光伏陣列故障研究

陳宇 孔圣立

摘要：在光伏陣列的實(shí)際使用中，設(shè)備老化、局部陰影等因素會導(dǎo)致陣列故障現(xiàn)象的發(fā)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(jìn)行優(yōu)化處理，在光伏組件模型上并入對求解參數(shù)進(jìn)行修正的旁路二極管，以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率。仿真對比分析了模型優(yōu)化前后的光伏陣列輸出特性，驗(yàn)證了此優(yōu)化模型能有效減小系統(tǒng)的功率損耗。

關(guān)鍵詞：陣列故障;模型優(yōu)化;參數(shù)修正;功率損耗

0? ? 引言

隨著化石能源的不斷消耗，人類已經(jīng)開始重視對可再生能源的開發(fā)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(yōu)點(diǎn)，成為各國積極研發(fā)的綠色能源。光伏陣列在長期的使用中難免會出現(xiàn)設(shè)備老化、局部陰影等現(xiàn)象，其中遮蔭現(xiàn)象會導(dǎo)致陣列出現(xiàn)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(jìn)行優(yōu)化，使用旁路二極管以減少光伏陣列故障的發(fā)生。以局部陰影現(xiàn)象作為光伏陣列故障分析對象，并模擬分析外界環(huán)境條件變化來說明模型優(yōu)化的重要性。通過在MATLAB/Simulink環(huán)境下建模仿真，驗(yàn)證了優(yōu)化后的模型在外界環(huán)境變化時(shí)仍能較好地保護(hù)陣列，使系統(tǒng)能高效地運(yùn)行。

1? ? 光伏陣列的多峰值建模

單個(gè)光伏電池組件由于遮蔭等環(huán)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(fā)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(chǔ)，以此模擬單個(gè)光伏組件故障時(shí)的反向電流產(chǎn)生的發(fā)熱效應(yīng)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(gè)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(lián)和串聯(lián)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(zhì)因數(shù)和方向飽和電流;Is2、A2代表反向二極管D2的品質(zhì)因數(shù)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(shù);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(shù)，k=1.380 6×10-23 J/K。

假設(shè)有m×n個(gè)光伏組件光伏陣列串并聯(lián)組成光伏電池陣列，其中m為并聯(lián)支路數(shù)，n為每條支路的串聯(lián)光伏組件數(shù)。光伏陣列中的各個(gè)組件電氣特性完全相同，則可以得到光伏陣列的一般數(shù)學(xué)模型為：

2? ? 光伏陣列的模型優(yōu)化

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

當(dāng)光伏陣列所處工況發(fā)生變化時(shí)，可在每個(gè)光伏模塊上引入對所求解參數(shù)能做出修正的旁路二極管裝置，得到在相應(yīng)工況下，參數(shù)的確定方法如下：

一般將標(biāo)準(zhǔn)測試狀態(tài)定為參考狀態(tài)，即Sref=1 000 W/m2，Tref=298 K。

3? ? 光伏陣列的仿真分析

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

仿真使用的每個(gè)單體電池功率均相同，其具體參數(shù)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(yōu)化的光伏陣列仿真模型，該模型是通過6塊相同規(guī)格的光伏組件串聯(lián)而成的。

對光伏陣列整體模擬4次不同的光照強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度1 000 W/m2，其他光伏組件在4次模擬中給予從強(qiáng)到弱的光照強(qiáng)度，溫度均為25 ℃。表1為不同情況下光伏組件的光照強(qiáng)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(yōu)化模型的特性曲線是完全一致的，這是因?yàn)楹愣ň鶆蚬庹諘r(shí)光伏陣列不會出現(xiàn)失配狀況，此時(shí)優(yōu)化模型的二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)光伏陣列的光照強(qiáng)度不均勻或存在其他失配狀況時(shí)，光伏陣列優(yōu)化模型的I—V曲線和P—V曲線分別呈現(xiàn)階梯狀和多峰值現(xiàn)象，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，光伏組件避免了自身成為負(fù)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(xiàn)象，光伏組件自身成為負(fù)載而消耗能量，因此光伏陣列的輸出功率會減?。ū?），嚴(yán)重時(shí)還會損壞光伏電池器件。

綜上可知，優(yōu)化模型的使用能有效降低遮蔭等故障現(xiàn)象對系統(tǒng)內(nèi)部功率損耗的影響，提高了光伏陣列在遮蔭條件下功率穩(wěn)定輸出的可靠性。

4? ? 結(jié)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(xiàn)象會對陣列的功率輸出產(chǎn)生不利影響，本文提出對原有多峰值模型進(jìn)行優(yōu)化，具體方法為引入具有參數(shù)修正功能的旁路二極管，以有效減少光伏陣列的內(nèi)部功率損耗。仿真分析光伏陣列在模型優(yōu)化前后的輸出特性，并模擬外界環(huán)境變化對優(yōu)化模型的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化模型在光伏陣列發(fā)生故障時(shí)能較好地保護(hù)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(tǒng)研究工作。