復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列輸出特性研究

復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列輸出特性研究

0含光伏陣列功率特性的三大解決方案作為解決世界能源和環(huán)境問題的解決方案之一，太陽能照明設備得到了迅速普及和應用。然而,光伏組件的輸出呈現(xiàn)復雜的非線性特性,當集中式光伏陣列處于復雜光照環(huán)境時,陣列中部分組件可能處于陰影狀態(tài),且陰影分布隨著外界環(huán)境而不斷改變,導致陣列的功率輸出呈現(xiàn)多峰特性,增大了最大功率跟蹤控制的難度,影響了光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率,制約了光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。目前,針對上述問題主要存在以下2類解決方案:第1類方案是通過對光伏陣列的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計,避免其功率輸出的多峰特性,進而采用傳統(tǒng)的MPPT算法跟蹤光伏陣列的最大功率,以此提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率。但是,伴隨著光伏陣列拓撲結(jié)構(gòu)的改變,使得與之相匹配的硬件設備數(shù)量大幅增加,導致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜、可靠性降低,由于成本的關(guān)系,此類方案亦無法應用于大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中。第2類解決方案的研究對象為傳統(tǒng)的集中式光伏陣列,研究適用于復雜光照環(huán)境下光伏陣列多峰輸出特性的MPPT控制算法,來保證系統(tǒng)輸出最大功率。由于缺乏對復雜光照環(huán)境下光伏陣列輸出特性的分析,文獻中提出的MPPT控制算法僅適用于部分特殊光照環(huán)境下光伏陣列的功率跟蹤,文獻[10-11]中提出的MPPT控制算法盡管適用于所有的光照環(huán)境,但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜,對硬件的要求相對較高。近年來,雖然有學者對復雜光照環(huán)境下光伏陣列的輸出特性進行了研究,但大多只在仿真環(huán)境下對光伏陣列的功率–電壓(P-V)特性曲線展開討論,并未從理論推導方面對集中式光伏陣列的輸出特性給出明確的總結(jié)。本文以集中式光伏陣列作為研究對象,通過對復雜光照環(huán)境下的功率輸出過程進行理論推導,在MATLAB仿真環(huán)境下建立集中式光伏陣列的輸出模型,并結(jié)合理論推導對仿真曲線進行分析,提出了復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列輸出特性的一系列推論,并通過系統(tǒng)實驗給予驗證。1中央照明矩陣的功率輸出1.1分布式光伏陣列的特性太陽能光伏組件是一種具有非線性特性的光電轉(zhuǎn)換半導體裝置,其輸出特性受到溫度和光照強度的影響,可用如下簡化的電流方程表示,即式中:I和U分別為太陽能電池輸出電流和輸出電壓;n為二極管特性因子;IPH為光生電流;I0為暗飽和電流;T為太陽能電池表面溫度;k為玻爾茲曼常數(shù);q為單位電荷;RS為電池的串聯(lián)內(nèi)阻。集中式光伏陣列是由太陽能光伏組件經(jīng)過若干次串、并聯(lián)后的物理組合(如圖1所示),為了保證光伏陣列安全、可靠的工作,文中仿真和實驗中的每塊光伏組件均并聯(lián)有旁路二極管,且每條串聯(lián)支路均接有隔離二極管。以光伏組件的電流特性方程和電路分析的基本原理作為理論推導的基礎(chǔ),首先對并聯(lián)有旁路二極管的串聯(lián)光伏組件以及串聯(lián)有隔離二極管的并聯(lián)光伏組件的輸出過程進行理論分析,進而總結(jié)出集中式光伏陣列在復雜環(huán)境下的輸出特性。結(jié)合實際光照環(huán)境,假設復雜光照環(huán)境下處于陰影部分的光伏組件所受的光照強度相同,且陰影狀態(tài)下組件所受光照強度遠小于正常組件所受光照強度。1.2光生電流的umpp串聯(lián)光伏組件是光伏陣列的一種結(jié)構(gòu)形式,其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。均勻光照環(huán)境時,各組件處于同一光照強度下,產(chǎn)生相同的光生電流,并對外輸出相同的電壓,并聯(lián)在組件兩端的旁路二極管處于反向阻斷狀態(tài),串聯(lián)組件的輸出特性與組件自身的輸出特性保持一致。復雜光照環(huán)境下,各組件所受的光照強度不盡相同,產(chǎn)生不同的光生電流以及輸出電壓,使得部分并聯(lián)在組件兩端的旁路二極管因形成正向偏壓而有可能工作在導通的狀態(tài)下,導致串聯(lián)組件的輸出特性發(fā)生變化。以串聯(lián)組件的輸出電流作為輸出特性分析的基準,可將串聯(lián)組件的輸出電流劃分為2個區(qū)間,在獨立的電流區(qū)間內(nèi),把研究的對象由串聯(lián)組件轉(zhuǎn)向獨立的光伏組件,進一步分析。以2個光伏組件串聯(lián)為例對串聯(lián)組件輸出特性進行理論推導,假設復雜光照環(huán)境下串聯(lián)組件部分被遮擋,組件2處于陰影下,兩組件所受的光照強度G1>G2,產(chǎn)生的光生電流IPH1>IPH2,開路電壓分別為UOC1、UOC2。當串聯(lián)組件的輸出電流I在區(qū)間(IPH2,IPH1)時,組件2的輸出電壓小于組件1的輸出電壓,并聯(lián)在組件2兩端的旁路二極管因承受一個正向偏壓而導通,流經(jīng)組件2的電流為其自身產(chǎn)生的光生電流IPH2,多余的電流(I-IPH2)從旁路二極管流過對外輸出,防止組件2因強加的電流而發(fā)生損壞。組件1獨自對外輸出功率,串聯(lián)組件的電流方程為式中Uby為組件2的旁路二極管導通時產(chǎn)生的管壓降,上式變換后可得串聯(lián)組件的輸出電壓方程為由式(3)可知,串聯(lián)組件的P-V輸出特性以及最大功率點輸出電壓與組件1的輸出保持一致,僅在電壓分布上超前于組件1的輸出1個旁路二極管導通管壓降。由于兩組件的光生電流IPH1>IPH2,在電流區(qū)間(IPH2,IPH1)內(nèi)組件1輸出最大功率,串聯(lián)組件輸出峰值功率PM1。由光伏組件的輸出特性可知,在最大功率點處組件的輸出功率對輸出電壓的導數(shù)為0,在求導區(qū)間[v,v+Δv]內(nèi),可將并聯(lián)在光伏組件兩端的旁路二極管管壓降Uby以及由組件內(nèi)阻產(chǎn)生的壓降IRS視為恒定?？梢缘玫绞街蠻MPP為最大功率點電壓。組件處于開路狀態(tài)時的電壓表達式為結(jié)合式(4)、(5)可得式中:c(28)q/(nkT)、(UOC(10)Uby)均為常數(shù),(1(10)cUMPP)和exp(cUMPP)均為關(guān)于UMPP的單調(diào)函數(shù),式(6)存在唯一解,即組件的開路電壓UOC與最大功率點電壓UMPP存在固定的比例關(guān)系UMPP=sUOC,s為比例系數(shù),且0<s<1,s的值會受到生產(chǎn)工藝、材料、以及外部光照環(huán)境等多因素的影響而發(fā)生變化。在電流區(qū)間(IPH2,IPH1)內(nèi),串聯(lián)組件的功率峰值點電壓UMPP1可表示為s1UOC1-Uby。隨著串聯(lián)組件輸出電流的減小,其輸出功率迅速下降,當輸出電流I在區(qū)間(0,IPH2)時,組件2自身產(chǎn)生的光生電流IPH2足以對外輸出功率,并聯(lián)在組件2兩端的旁路二極管因反向偏壓而處于阻斷狀態(tài)。在此電流區(qū)間內(nèi),組件1和組件2共同對外輸出功率,串聯(lián)組件的輸出電壓由2組件的輸出電壓UM1和UM2共同構(gòu)成,其電壓輸出方程為組件1的輸出電壓以及輸出功率基本恒定,串聯(lián)組件的輸出功率隨著組件2的輸出逐漸增大,直至組件2輸出最大功率,此時串聯(lián)組件輸出峰值功率PM2,峰值點電壓UMPP2=x1UOC1+s2UOC2,s1<x1<1。此后串聯(lián)組件的輸出功率迅速下降。串聯(lián)組件的輸出特性在趨勢上表現(xiàn)為組件2自身的輸出特性,在量級上表現(xiàn)為2組件輸出的物理疊加。1.3串聯(lián)組件輸出特性分析并聯(lián)光伏組件是光伏陣列的結(jié)構(gòu)形式之一,其結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。當并聯(lián)組件處于均勻光照條件時,各組件的輸出電壓相同,與組件串聯(lián)在一起的隔離二極管正向?qū)?并聯(lián)組件的輸出特性與組件自身的輸出特性保持一致,在功率輸出過程中僅有一個峰值點。復雜光照環(huán)境下,由于組件的輸出電壓不盡相同,因此與組件串聯(lián)的隔離二極管可能反向阻斷,從而導致并聯(lián)組件的輸出特性發(fā)生變化。以輸出電壓作為并聯(lián)組件輸出特性分析的基準,可將并聯(lián)組件的輸出電壓劃分為2個獨立的區(qū)間進行分析。以2個光伏組件并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)組件為例對其輸出特性進行理論推導,假設復雜光照環(huán)境下并聯(lián)組件部分被遮擋,組件2處于陰影下,2組件所受的光照強度G1>G2,開路電壓UOC1>UOC2。當并聯(lián)組件的輸出電壓U在區(qū)間(0,UOC2)時,組件1和組件2工作在相同的電壓下,共同對外輸出功率,與組件串聯(lián)的隔離二極管正向?qū)?并聯(lián)組件的輸出電流I由組件1的輸出電流IM1和組件2的輸出電流IM2共同提供,并聯(lián)組件的電流方程為:并聯(lián)組件的輸出電壓其中:Ublock1和Ublock2分別為隔離二極管的導通管壓降。隨著并聯(lián)組件輸出電壓的持續(xù)增大,當并聯(lián)組件工作在電壓區(qū)間[UOC2,UOC1)內(nèi),組件2無法繼續(xù)提供陣列的輸出電壓,與組件2串聯(lián)的隔離二級管因承受一個反向偏壓而處于阻斷狀態(tài),防止組件2因承受反向電流而發(fā)生損壞。此時,組件1獨自對外輸出功率,組件1自身的輸出特性即為陣列的輸出特性,陣列輸出功率迅速下降,直至工作電壓達到組件1的開路電壓。由于2組件所受的光照強度G1>G2,在電壓區(qū)間(0,UOC2)內(nèi)組件2首先輸出最大功率Pm2,其最大功率點電壓為s2UOC2,而組件1的最大功率點電壓s1UOC1存在的電壓區(qū)間有以下2種可能:當s1UOC1在電壓區(qū)間(s2UOC2,UOC2)時,組件2的輸出從最大功率Pm2開始下降而組件1的輸出持續(xù)增大直至達到其最大功率Pm1。因此,并聯(lián)組件的最大功率點電壓一定在電壓區(qū)間[s2UOC2,s1UOC1]內(nèi)。當s1UOC1在電壓區(qū)間[UOC2,UOC1]時,組件2已無法輸出功率,組件1獨自對外輸出功率,組件1的最大功率點電壓s1UOC1即為并聯(lián)組件的最大功率點電壓。綜上可知,并聯(lián)組件的最大功率點電壓存在于2組件最大功率點電壓[s2UOC2,s1UOC1]之間。1.4分布式光伏陣列的p-v輸出特性在串、并聯(lián)光伏組件輸出特性理論推導的基礎(chǔ)上,結(jié)合電路分析的基本原則,對復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列的輸出特性進行總結(jié)。為了便于分析,文中對集中式光伏陣列的各個組成部分進行分類、命名(如圖1所示),圖中黑色部分表示光伏組件處于陰影狀態(tài)下。將處于相同光照強度下的光伏組件的串聯(lián)稱之為組集,兩組集的串聯(lián)構(gòu)成了光伏隊列,具有相同光照分布的光伏隊列的并聯(lián)稱之為子陣列,若干光照分布不同的子陣列并聯(lián)構(gòu)成了集中式光伏陣列。假設集中式光伏陣列由m條隊列構(gòu)成,每條隊列均包含n個組件,正常光照狀態(tài)下組件的開路電壓以及開路電壓與最大功率點電壓間的比例系數(shù)分別為UOC1、s1,陰影狀態(tài)下組件的開路電壓以及開路電壓與最大功率點電壓間的比例系數(shù)分別為UOC2、s2,與陰影狀態(tài)下光伏組件并聯(lián)的旁路二極管導通管壓降為Uby,總結(jié)復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列的P-V輸出特性如下。1)具有相同光照分布的隊列數(shù)目不會改變光伏陣列輸出功率峰值點的個數(shù)以及峰值點電壓,只會影響光伏陣列在峰值點電壓處的輸出功率。2)集中式光伏陣列的每條隊列所包含的處于陰影狀態(tài)下的組件個數(shù),即隊列中2組集的組成結(jié)構(gòu)直接影響到光伏陣列輸出功率峰值點個數(shù)以及峰值點電壓。3)當輸出電壓在[n×s2×UOC2,n×UOC1)內(nèi),陣列所對應的輸出功率必定出現(xiàn)峰值點,但卻不一定是全局最大功率。4)當輸出電壓在[s1×UOC1,n×s2×UOC2]內(nèi),陣列可能出現(xiàn)的輸出功率峰值點個數(shù)最多為n-1個,峰值點電壓分別為i×s1×UOC1-(n-i)Uby,i為隊列中正常光照下組件的個數(shù),i=1,2,…,(n-1)。假設標準測試環(huán)境下(即T=25℃、G=1000W/m2)組件的最大功率點電壓為UMPP,則集中式光伏陣列可能出現(xiàn)的峰值點電壓近似等于i×UMPP,i=1,2,…,n。2分布式光伏陣列仿真分析依據(jù)上述集中式光伏陣列輸出特性的理論推導,在MATLAB仿真環(huán)境下建立集中式光伏陣列的輸出模型,對復雜光照環(huán)境下的輸出特性曲線進行計算機仿真。表1所示為標準測試環(huán)境下光伏組件的性能參數(shù)。仿真中集中式光伏陣列的組成結(jié)構(gòu)及其所處的復雜光照環(huán)境如表2所示。處于復雜光照環(huán)境類型下的集中式光伏陣列由子陣列A、子陣列B和子陣列C構(gòu)成,其中子陣列A包含了30條具有相同光照強度分布的光伏隊列,每條隊列由處于正常光照和陰影狀態(tài)下的2組集組成,2組集所包含的光伏組件的個數(shù)分別為3和7,對應的光照強度分別為1000和300W/m2,子陣列B、C以相同的方式構(gòu)成。集中式光伏陣列在仿真環(huán)境下的P-V特性曲線如圖3所示,曲線1、2、3分別對應表2中的復雜光照環(huán)境類型一、二、三。結(jié)合圖表可知,復雜光照環(huán)境類型一下光伏陣列的子陣列C與復雜光照環(huán)境類型二下光伏陣列的子陣列A由相同光照分布的隊列構(gòu)成,在仿真曲線中,2光伏陣列的功率峰值點c1、a2所對應的電壓Uc1、Ua2近似相等;由于構(gòu)成2子陣列的隊列數(shù)目不同,在峰值點電壓處,2光伏陣列輸出的功率不同;3種復雜光照環(huán)境下的光伏陣列在電壓區(qū)間[165V,200V]內(nèi)均有一個功率峰值點,分別為d1、d2、c3;以曲線1為例,功率峰值點a1、b1、c1所對應的電壓值分別為Ua1=51V、Ub1=69V、Uc1=86V,分別近似為最大功率點電壓(UMPP=16.8V)的整數(shù)倍,倍數(shù)分別為3、4、5,與子陣列A、B、C中隊列所包含的光照強度為1000W/m2的組件個數(shù)一致。3測量電路的測量復雜光照環(huán)境下集中式光伏陣列的P-V輸出特性的實驗電路如圖4所示。實驗中選取的集中式光伏陣列由9塊5W的光伏組件以3uf0b43的格式組裝而成,光伏組件的性能參數(shù)如表1所示。為模擬復雜光照環(huán)境,用白色打印紙將光伏陣列中的部分組件遮擋,使其處于陰影下,如圖4中黑色部分的組件。實驗中測量電路如圖4所示,由于實驗中所選取的集中式光伏陣列的最大輸出功率僅為45W,可以直接與滑線變阻器相連,通過調(diào)節(jié)滑線變阻器的阻值改變光伏陣列的輸出電壓和輸出電流,該方法簡單、易操作且功率損耗小,適用于小功率光伏陣列輸出特性的測量。實驗開始時,將滑線變阻器調(diào)至短路狀態(tài),測得光伏陣列的短路電流,此后慢慢增大滑線變阻器的阻值,并通過電流表和電壓表實時記錄陣列的輸出電壓和電流。實驗中所用的滑線變阻器功率為60W,量程為0~1000uf057,實驗中將2個滑線變阻器串聯(lián)使用以此來獲取更多的開路電壓附近的數(shù)據(jù)。實驗結(jié)束時,滑線變阻器處于開路狀態(tài),得到陣列的開路電壓。集中式光伏陣列在實驗環(huán)境下的P-V特性曲線如圖5所示。集中式光伏陣列的P-V特性曲線出現(xiàn)3個