复杂光照环境下集中式光伏阵列输出特性研究

复杂光照环境下集中式光伏阵列输出特性研究

0含光伏阵列功率特性的三大解决方案作为解决世界能源和环境问题的解决方案之一，太阳能照明设备得到了迅速普及和应用。然而,光伏组件的输出呈现复杂的非线性特性,当集中式光伏阵列处于复杂光照环境时,阵列中部分组件可能处于阴影状态,且阴影分布随着外界环境而不断改变,导致阵列的功率输出呈现多峰特性,增大了最大功率跟踪控制的难度,影响了光伏发电系统的运行效率,制约了光伏发电技术的发展。目前,针对上述问题主要存在以下2类解决方案:第1类方案是通过对光伏阵列的拓扑结构进行优化设计,避免其功率输出的多峰特性,进而采用传统的MPPT算法跟踪光伏阵列的最大功率,以此提高光伏发电系统的运行效率。但是,伴随着光伏阵列拓扑结构的改变,使得与之相匹配的硬件设备数量大幅增加,导致系统的结构复杂、可靠性降低,由于成本的关系,此类方案亦无法应用于大型光伏发电系统中。第2类解决方案的研究对象为传统的集中式光伏阵列,研究适用于复杂光照环境下光伏阵列多峰输出特性的MPPT控制算法,来保证系统输出最大功率。由于缺乏对复杂光照环境下光伏阵列输出特性的分析,文献中提出的MPPT控制算法仅适用于部分特殊光照环境下光伏阵列的功率跟踪,文献[10-11]中提出的MPPT控制算法尽管适用于所有的光照环境,但其系统结构复杂,对硬件的要求相对较高。近年来,虽然有学者对复杂光照环境下光伏阵列的输出特性进行了研究,但大多只在仿真环境下对光伏阵列的功率–电压(P-V)特性曲线展开讨论,并未从理论推导方面对集中式光伏阵列的输出特性给出明确的总结。本文以集中式光伏阵列作为研究对象,通过对复杂光照环境下的功率输出过程进行理论推导,在MATLAB仿真环境下建立集中式光伏阵列的输出模型,并结合理论推导对仿真曲线进行分析,提出了复杂光照环境下集中式光伏阵列输出特性的一系列推论,并通过系统实验给予验证。1中央照明矩阵的功率输出1.1分布式光伏阵列的特性太阳能光伏组件是一种具有非线性特性的光电转换半导体装置,其输出特性受到温度和光照强度的影响,可用如下简化的电流方程表示,即式中:I和U分别为太阳能电池输出电流和输出电压;n为二极管特性因子;IPH为光生电流;I0为暗饱和电流;T为太阳能电池表面温度;k为玻尔兹曼常数;q为单位电荷;RS为电池的串联内阻。集中式光伏阵列是由太阳能光伏组件经过若干次串、并联后的物理组合(如图1所示),为了保证光伏阵列安全、可靠的工作,文中仿真和实验中的每块光伏组件均并联有旁路二极管,且每条串联支路均接有隔离二极管。以光伏组件的电流特性方程和电路分析的基本原理作为理论推导的基础,首先对并联有旁路二极管的串联光伏组件以及串联有隔离二极管的并联光伏组件的输出过程进行理论分析,进而总结出集中式光伏阵列在复杂环境下的输出特性。结合实际光照环境,假设复杂光照环境下处于阴影部分的光伏组件所受的光照强度相同,且阴影状态下组件所受光照强度远小于正常组件所受光照强度。1.2光生电流的umpp串联光伏组件是光伏阵列的一种结构形式,其结构如图2(a)所示。均匀光照环境时,各组件处于同一光照强度下,产生相同的光生电流,并对外输出相同的电压,并联在组件两端的旁路二极管处于反向阻断状态,串联组件的输出特性与组件自身的输出特性保持一致。复杂光照环境下,各组件所受的光照强度不尽相同,产生不同的光生电流以及输出电压,使得部分并联在组件两端的旁路二极管因形成正向偏压而有可能工作在导通的状态下,导致串联组件的输出特性发生变化。以串联组件的输出电流作为输出特性分析的基准,可将串联组件的输出电流划分为2个区间,在独立的电流区间内,把研究的对象由串联组件转向独立的光伏组件,进一步分析。以2个光伏组件串联为例对串联组件输出特性进行理论推导,假设复杂光照环境下串联组件部分被遮挡,组件2处于阴影下,两组件所受的光照强度G1>G2,产生的光生电流IPH1>IPH2,开路电压分别为UOC1、UOC2。当串联组件的输出电流I在区间(IPH2,IPH1)时,组件2的输出电压小于组件1的输出电压,并联在组件2两端的旁路二极管因承受一个正向偏压而导通,流经组件2的电流为其自身产生的光生电流IPH2,多余的电流(I-IPH2)从旁路二极管流过对外输出,防止组件2因强加的电流而发生损坏。组件1独自对外输出功率,串联组件的电流方程为式中Uby为组件2的旁路二极管导通时产生的管压降,上式变换后可得串联组件的输出电压方程为由式(3)可知,串联组件的P-V输出特性以及最大功率点输出电压与组件1的输出保持一致,仅在电压分布上超前于组件1的输出1个旁路二极管导通管压降。由于两组件的光生电流IPH1>IPH2,在电流区间(IPH2,IPH1)内组件1输出最大功率,串联组件输出峰值功率PM1。由光伏组件的输出特性可知,在最大功率点处组件的输出功率对输出电压的导数为0,在求导区间[v,v+Δv]内,可将并联在光伏组件两端的旁路二极管管压降Uby以及由组件内阻产生的压降IRS视为恒定。可以得到式中UMPP为最大功率点电压。组件处于开路状态时的电压表达式为结合式(4)、(5)可得式中:c(28)q/(nkT)、(UOC(10)Uby)均为常数,(1(10)cUMPP)和exp(cUMPP)均为关于UMPP的单调函数,式(6)存在唯一解,即组件的开路电压UOC与最大功率点电压UMPP存在固定的比例关系UMPP=sUOC,s为比例系数,且0<s<1,s的值会受到生产工艺、材料、以及外部光照环境等多因素的影响而发生变化。在电流区间(IPH2,IPH1)内,串联组件的功率峰值点电压UMPP1可表示为s1UOC1-Uby。随着串联组件输出电流的减小,其输出功率迅速下降,当输出电流I在区间(0,IPH2)时,组件2自身产生的光生电流IPH2足以对外输出功率,并联在组件2两端的旁路二极管因反向偏压而处于阻断状态。在此电流区间内,组件1和组件2共同对外输出功率,串联组件的输出电压由2组件的输出电压UM1和UM2共同构成,其电压输出方程为组件1的输出电压以及输出功率基本恒定,串联组件的输出功率随着组件2的输出逐渐增大,直至组件2输出最大功率,此时串联组件输出峰值功率PM2,峰值点电压UMPP2=x1UOC1+s2UOC2,s1<x1<1。此后串联组件的输出功率迅速下降。串联组件的输出特性在趋势上表现为组件2自身的输出特性,在量级上表现为2组件输出的物理叠加。1.3串联组件输出特性分析并联光伏组件是光伏阵列的结构形式之一,其结构如图2(b)所示。当并联组件处于均匀光照条件时,各组件的输出电压相同,与组件串联在一起的隔离二极管正向导通,并联组件的输出特性与组件自身的输出特性保持一致,在功率输出过程中仅有一个峰值点。复杂光照环境下,由于组件的输出电压不尽相同,因此与组件串联的隔离二极管可能反向阻断,从而导致并联组件的输出特性发生变化。以输出电压作为并联组件输出特性分析的基准,可将并联组件的输出电压划分为2个独立的区间进行分析。以2个光伏组件并联构成的并联组件为例对其输出特性进行理论推导,假设复杂光照环境下并联组件部分被遮挡,组件2处于阴影下,2组件所受的光照强度G1>G2,开路电压UOC1>UOC2。当并联组件的输出电压U在区间(0,UOC2)时,组件1和组件2工作在相同的电压下,共同对外输出功率,与组件串联的隔离二极管正向导通,并联组件的输出电流I由组件1的输出电流IM1和组件2的输出电流IM2共同提供,并联组件的电流方程为:并联组件的输出电压其中:Ublock1和Ublock2分别为隔离二极管的导通管压降。随着并联组件输出电压的持续增大,当并联组件工作在电压区间[UOC2,UOC1)内,组件2无法继续提供阵列的输出电压,与组件2串联的隔离二级管因承受一个反向偏压而处于阻断状态,防止组件2因承受反向电流而发生损坏。此时,组件1独自对外输出功率,组件1自身的输出特性即为阵列的输出特性,阵列输出功率迅速下降,直至工作电压达到组件1的开路电压。由于2组件所受的光照强度G1>G2,在电压区间(0,UOC2)内组件2首先输出最大功率Pm2,其最大功率点电压为s2UOC2,而组件1的最大功率点电压s1UOC1存在的电压区间有以下2种可能:当s1UOC1在电压区间(s2UOC2,UOC2)时,组件2的输出从最大功率Pm2开始下降而组件1的输出持续增大直至达到其最大功率Pm1。因此,并联组件的最大功率点电压一定在电压区间[s2UOC2,s1UOC1]内。当s1UOC1在电压区间[UOC2,UOC1]时,组件2已无法输出功率,组件1独自对外输出功率,组件1的最大功率点电压s1UOC1即为并联组件的最大功率点电压。综上可知,并联组件的最大功率点电压存在于2组件最大功率点电压[s2UOC2,s1UOC1]之间。1.4分布式光伏阵列的p-v输出特性在串、并联光伏组件输出特性理论推导的基础上,结合电路分析的基本原则,对复杂光照环境下集中式光伏阵列的输出特性进行总结。为了便于分析,文中对集中式光伏阵列的各个组成部分进行分类、命名(如图1所示),图中黑色部分表示光伏组件处于阴影状态下。将处于相同光照强度下的光伏组件的串联称之为组集,两组集的串联构成了光伏队列,具有相同光照分布的光伏队列的并联称之为子阵列,若干光照分布不同的子阵列并联构成了集中式光伏阵列。假设集中式光伏阵列由m条队列构成,每条队列均包含n个组件,正常光照状态下组件的开路电压以及开路电压与最大功率点电压间的比例系数分别为UOC1、s1,阴影状态下组件的开路电压以及开路电压与最大功率点电压间的比例系数分别为UOC2、s2,与阴影状态下光伏组件并联的旁路二极管导通管压降为Uby,总结复杂光照环境下集中式光伏阵列的P-V输出特性如下。1)具有相同光照分布的队列数目不会改变光伏阵列输出功率峰值点的个数以及峰值点电压,只会影响光伏阵列在峰值点电压处的输出功率。2)集中式光伏阵列的每条队列所包含的处于阴影状态下的组件个数,即队列中2组集的组成结构直接影响到光伏阵列输出功率峰值点个数以及峰值点电压。3)当输出电压在[n×s2×UOC2,n×UOC1)内,阵列所对应的输出功率必定出现峰值点,但却不一定是全局最大功率。4)当输出电压在[s1×UOC1,n×s2×UOC2]内,阵列可能出现的输出功率峰值点个数最多为n-1个,峰值点电压分别为i×s1×UOC1-(n-i)Uby,i为队列中正常光照下组件的个数,i=1,2,…,(n-1)。假设标准测试环境下(即T=25℃、G=1000W/m2)组件的最大功率点电压为UMPP,则集中式光伏阵列可能出现的峰值点电压近似等于i×UMPP,i=1,2,…,n。2分布式光伏阵列仿真分析依据上述集中式光伏阵列输出特性的理论推导,在MATLAB仿真环境下建立集中式光伏阵列的输出模型,对复杂光照环境下的输出特性曲线进行计算机仿真。表1所示为标准测试环境下光伏组件的性能参数。仿真中集中式光伏阵列的组成结构及其所处的复杂光照环境如表2所示。处于复杂光照环境类型下的集中式光伏阵列由子阵列A、子阵列B和子阵列C构成,其中子阵列A包含了30条具有相同光照强度分布的光伏队列,每条队列由处于正常光照和阴影状态下的2组集组成,2组集所包含的光伏组件的个数分别为3和7,对应的光照强度分别为1000和300W/m2,子阵列B、C以相同的方式构成。集中式光伏阵列在仿真环境下的P-V特性曲线如图3所示,曲线1、2、3分别对应表2中的复杂光照环境类型一、二、三。结合图表可知,复杂光照环境类型一下光伏阵列的子阵列C与复杂光照环境类型二下光伏阵列的子阵列A由相同光照分布的队列构成,在仿真曲线中,2光伏阵列的功率峰值点c1、a2所对应的电压Uc1、Ua2近似相等;由于构成2子阵列的队列数目不同,在峰值点电压处,2光伏阵列输出的功率不同;3种复杂光照环境下的光伏阵列在电压区间[165V,200V]内均有一个功率峰值点,分别为d1、d2、c3;以曲线1为例,功率峰值点a1、b1、c1所对应的电压值分别为Ua1=51V、Ub1=69V、Uc1=86V,分别近似为最大功率点电压(UMPP=16.8V)的整数倍,倍数分别为3、4、5,与子阵列A、B、C中队列所包含的光照强度为1000W/m2的组件个数一致。3测量电路的测量复杂光照环境下集中式光伏阵列的P-V输出特性的实验电路如图4所示。实验中选取的集中式光伏阵列由9块5W的光伏组件以3uf0b43的格式组装而成,光伏组件的性能参数如表1所示。为模拟复杂光照环境,用白色打印纸将光伏阵列中的部分组件遮挡,使其处于阴影下,如图4中黑色部分的组件。实验中测量电路如图4所示,由于实验中所选取的集中式光伏阵列的最大输出功率仅为45W,可以直接与滑线变阻器相连,通过调节滑线变阻器的阻值改变光伏阵列的输出电压和输出电流,该方法简单、易操作且功率损耗小,适用于小功率光伏阵列输出特性的测量。实验开始时,将滑线变阻器调至短路状态,测得光伏阵列的短路电流,此后慢慢增大滑线变阻器的阻值,并通过电流表和电压表实时记录阵列的输出电压和电流。实验中所用的滑线变阻器功率为60W,量程为0~1000uf057,实验中将2个滑线变阻器串联使用以此来获取更多的开路电压附近的数据。实验结束时,滑线变阻器处于开路状态,得到阵列的开路电压。集中式光伏阵列在实验环境下的P-V特性曲线如图5所示。集中式光伏阵列的P-V特性曲线出现3个