部分遮阴条件下光伏阵列模型的建立

摘要：为提高光伏发电效率，通过考虑部分遮阴条件下对光伏组件阵列结构进行优化改进，绘制并抽象出一个具有理论和事实依据的P-U曲线作为符合衢州地区特点的光伏电池阵列输出模型，为最大功率点的搜寻提供依据。

关键词：部分遮阴 光伏阵列 结构优化 P-U曲线

 

1 引言

今年国家和地方政府对于光伏及光伏并网的支持力度居高不下，浙江省衢州地区也有不少企业涉足这个领域，但是截止目前全部都是粗放式的发电并网，并没有针对具体要素进行分析优化。常规情况下光伏发电在选址阶段就保证了不会出现树木和建筑等物体遮阴的情况，因此本文将针对云彩遮阴条件下的光伏组件结构优化进行讨论分析，并在此基础上提出部分遮挡条件下典型的P-U曲线模型。

 

2 光伏效率分析及组件结构优化

云遮挡是影响太阳辐射，形成局部遮阴或光照突变，进而影响光伏输出功率的主要原因[1]。对于单独的太阳能电池来说，在局部被遮挡的情况下，发热大致可以分为以下两种情况[2]：1)电池处于负压状态时，被遮挡部分的光生电流与未被遮挡部分的光生电流产生内耗，出现热斑。当反向电压持续增加至击穿电压附近时，压控等效电流源的能耗急剧增加，电池可能会被烧坏。2)若电池处于正压状态，发热源来自光生电流在等效并联二极管上消耗的能量。针对上述两种情况，通常分别采用并联旁路二极管限制负压和MPPT控制搜寻最大功率点的方法来极可能地降低发热，提高效率。而对于阵列中的电池来说，当输出电压较低时，有可能产生由与其并联的其他高输出电压电池推动的反向电流，因此在阵列串联之路中还应串联一个阻流二极管以提高阵列整体的输出效率[3]。由此可得到图1所示的光伏微阵列结构图，该结构能够在部分遮阴的条件下基本保证光伏电池的安全及正常的输出。

        

     图1 光伏微阵列结构图                   图2 改进型光伏微阵列结构图

但图1所示的阵列结构仍然存在两个问题：一是光伏阵列在局部遮阴条件下的输出效率不高，且通常随着串联之路长度的增加而降低[4]；二是串联支路的长度与输出电压的大小成反比，因此输出电压与输出效率成反比。

针对问题一，可以采用电池阵列加可控单刀多掷开关阵列结合的方式，使得输出相近的电池可以被分在同一串联支路，从而减小失配引起的热斑损耗，提高效率，如图2所示。图中开关阵列的控制逻辑是计算表征太阳能电池工作状态向量之间的欧式距离[4]：

                    （式2-1）

得到两两电池间的欧式距离后，根据阵列每条并联支路种串联电池的数量，利用开关阵列将距离最接近的电池接入即可。其中，电池工作状态向量的元素必须包含输出电压，输出电流和输出功率等。

针对问题二，可以使用上述改进型光伏微阵列经DC/DC转换器搜寻到最大功率点后作为一个单元，级联后经变换器输出给负载使用[5]，如图3所示。采用这种结构可以使各个微阵列不论是否存在局部阴影都工作在最佳状态，整体效率达到最大。同时如果需要，可以通过各自的DC/DC转换器，可将每个微阵列不同的输出电压调整到一个标准电压，方便控制和输出，然后根据负载电压的需要选择级联的微阵列的个数即可。

            

     图3 光伏微阵列级联输出模型                图4 遮阴条件下典型的P-U曲线

 

3 基于改进型光伏微阵列的输出P-U曲线

    由于衢州地区光照条件较好，加上空气中的PM2.5含量常年较低，对光辐射的衰减较小，因此部分遮阴的原因基本来自云彩遮挡，具有相当的典型性。根据文献[4]的算例可见，改进型光伏微阵列可以对多峰值的P-U曲线进行优化，减少峰值个数，增加输出效率。因此的典型P-U曲线如图4所示。

 

4 结论

    在可能存在的部分遮阴条件下，通过利用微处理器计算电池工作状态的欧式距离，对可控单刀多掷开关进行控制，完成光伏电池连接结构的优化，可以在降低电池失配，有效提高整体输出效率的同时，减少P-U曲线的峰值个数，方便后续的转换器对最大功率点的跟踪。

 

参考文献

[1] 李盼等，分析光伏电站输出特性的云遮挡太阳辐射模型[J]，西安交通大学学报，2013年8月

   第47卷第8期

[2] 张兴，李善寿，局部遮挡时光伏阵列失配特性建模与分析[J]，太阳能学报，2014年9月第

   35卷第9期

[3] 周元贵等，局部阴影下光伏阵列建模及多峰值MPPT控制[J]，太阳能学报，2016年10月第

   37卷第10期

[4] 李志刚，田盛，局部阴影下光伏阵列结构优化[J]，太阳能学报，2016年12月第37卷第12

   期

[5] 冯宝成，苏建徽，部分遮挡条件下光伏组件的建模与仿真研究[J]，电气传动，2011年第41

   卷第7期