馮寶成,蘇建徽

(教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心(合肥工業(yè)大學(xué)),安徽 合肥 230009)

目前我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的普及率很低,主要原因是光伏產(chǎn)品的價(jià)格昂貴,而且光電轉(zhuǎn)換效率低[1- 2]。文獻(xiàn)[3]提到了一些常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)跟蹤方法。光伏組件的內(nèi)阻具有非線性,當(dāng)光伏組件上的光照不均勻時(shí)會(huì)變得更加復(fù)雜。處于陰影中的光伏電池元會(huì)吸收一些接收高日照強(qiáng)度的光伏電池元所產(chǎn)生的電能,并將其轉(zhuǎn)化為熱能,形成“熱斑”,降低光伏組件的輸出功率,甚至?xí)p壞光伏電池元[4- 5]。

本文以考慮了反向雪崩擊穿效應(yīng)的光伏電池元雙二極管電路模型為基礎(chǔ),建立了部分遮擋時(shí)光伏組件的數(shù)學(xué)模型并使用Matlab軟件進(jìn)行仿真,分析了其輸出的I-V,P-V特性曲線及輸出能力的變化。最后利用分析結(jié)果改進(jìn)了傳統(tǒng)的集中式光伏系統(tǒng)并介紹了一種光伏組件發(fā)電控制電路。

1 部分遮擋時(shí)光伏組件數(shù)學(xué)模型

考慮了反向雪崩擊穿效應(yīng)的光伏電池元雙二極管等效電路模型如圖1所示[6]。圖1中Iph為光伏電池元光生電流,ID1是流過(guò)二極管D1的電流,ID2是流過(guò)二極管D2的電流,Ip是反向雪崩擊穿電流,Rsh,Rs分別為光伏電池元的等效并聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電阻,V,I分別是光伏電池元的輸出電壓和輸出電流。

圖1 光伏電池元等效電路Fig.1 Equivalent circuit of a PV cell

由等效電路可得考慮了反向雪崩擊穿效應(yīng)的光伏電池元的數(shù)學(xué)模型為

式中:Is1,Is2分別為二極管D1,D2的反向飽和電流;A1,A2為相應(yīng)的品質(zhì)因子;Vbr為雪崩擊穿電壓,其取值范圍為-30～-14 V;a,nn為雪崩擊穿特征常數(shù);T為光伏電池元溫度;q為電子的電荷量;k為波爾茲曼常數(shù)。

光照不均勻的光伏組件等效電路如圖2所示。其中電流I1,I2分別是流過(guò)未被遮擋的電池元和被遮擋的電池元的電流,V1,V2是相對(duì)應(yīng)的電壓,I,V分別是整個(gè)光伏組件輸出的電流和電壓,根據(jù)圖2可得

式中:m1,Iph1分別為未被遮擋的電池元的個(gè)數(shù)和光生電流;m2,Iph2分別為被遮擋的電池元的個(gè)數(shù)和光生電流,光生電流與光強(qiáng)近似成正比。

根據(jù)式(2)～式(5)利用牛頓迭代法即可得到整個(gè)光伏組件的數(shù)學(xué)模型。

圖2 部分遮擋的光伏模組等效電路Fig.2 Equivalent circuit of a partially shaded PV module

2 部分遮擋時(shí)光伏組件的仿真

首先對(duì)單體光伏電池進(jìn)行仿真,仿真時(shí)所用各參數(shù)值為(光照強(qiáng)度1 000 W/m2,光伏電池元溫度 300 K):Iph=5.8 A,Rs=0.008 Ω,Is1=3.29×10-5A,Rsh=875 Ω,Is2=2.12×10-6A,Vbr=-22 V,A1=1.85,a=2.0×10-3,A2=1.55,nn=3。

圖3為單體光伏電池在第1,2象限的伏安特性曲線。當(dāng)電壓接近反向擊穿電壓時(shí),流過(guò)電池元的電流急劇增加。電池元工作在第1象限時(shí)輸出電能,處于發(fā)電狀態(tài);工作在第2象限時(shí)轉(zhuǎn)化為負(fù)載吸收能量,可能形成熱斑,導(dǎo)致電池元的損壞。光伏組件被部分遮擋時(shí),被遮擋的電池元會(huì)工作在第2象限,故應(yīng)采取措施避免電池元的損壞。

圖3 單體光伏電池的I-V特性曲線Fig.3 I-V characteristic curve of a PV cell

在電池元兩端反并聯(lián)二極管是最常見(jiàn)的措施。電池元正常工作時(shí),旁路二極管截止,當(dāng)其運(yùn)行在第2象限時(shí),反壓使旁路二極管導(dǎo)通,電流從旁路二極管流過(guò),電池元不再吸收能量,避免了熱斑的產(chǎn)生,保護(hù)了電池元,同時(shí)可提高組件的輸出功率。

在下面討論中以由36個(gè)電池元串聯(lián)構(gòu)成的光伏組件(模組)作為研究對(duì)象進(jìn)行仿真,并且每一個(gè)光伏組件均具有反并聯(lián)二極管。假設(shè)3個(gè)完全相同的光伏組件串聯(lián)連接,本文設(shè)定3種不同的遮擋模式:1)沒(méi)有遮擋,3個(gè)光伏組件的單體光伏電池接收的光照強(qiáng)度相等;2)1個(gè)光伏組件被遮擋,有70%的透光率;3)2個(gè)光伏組件被遮擋,其中一個(gè)具有70%的透光率,另一個(gè)只有30%的透光率。

圖4是標(biāo)準(zhǔn)條件下,3種不同遮擋模式對(duì)應(yīng)的串聯(lián)光伏組件輸出的 I-V,P-V曲線。由圖4可見(jiàn),模式2具有2個(gè)峰值點(diǎn),模式3具有3個(gè)峰值點(diǎn),與串聯(lián)組件接收光照強(qiáng)度的種類(lèi)相同。而且遮擋存在時(shí)伏安特性曲線呈階梯狀,功率電壓曲線具有多個(gè)峰值點(diǎn)。此時(shí)常規(guī)的單峰最大功率點(diǎn)跟蹤算法(爬上法、電導(dǎo)增量法等)不再適用。為了提高光伏組件的輸出能力,使其工作在全局最大功率點(diǎn),需要找到較好的能避免組件陷入局部峰值點(diǎn)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法。

圖4 3種不同遮擋模式下串聯(lián)光伏組件輸出的I-V,P-V曲線Fig.4 I-V and P-V curves of the series PV modules at three different shading modes

圖5是串聯(lián)光伏組件處于遮擋模式2,對(duì)應(yīng)相同溫度(25℃),不同光照強(qiáng)度時(shí)的I-V曲線和P-V曲線。由圖5可知,隨著光強(qiáng)的減小,對(duì)應(yīng)的短路電流和最大功率點(diǎn)都明顯下降,這與均勻光照時(shí)光伏組件的特性相一致。而且每條曲線都可類(lèi)似于1 000 W/m2時(shí)的曲線一樣分為AB和BC兩段,AB和BC兩段的平坦區(qū)域?qū)?yīng)的電流分別接近于未被遮擋和被遮擋的組件的光生電流,當(dāng)串聯(lián)的3個(gè)組件工作在 AB段時(shí),流過(guò)組件的電流大于被遮擋的組件的光生電流,由于有反并聯(lián)二極管的存在,電流通過(guò)二極管流過(guò),被遮擋的組件被旁路掉,不產(chǎn)生電能,只有未被遮擋的組件進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)串聯(lián)的3個(gè)組件工作在BC段時(shí),兩種光伏組件都產(chǎn)生電能。不同溫度,相同光照強(qiáng)度時(shí)部分遮擋的串聯(lián)光伏組件亦具有與均勻光照相似的特點(diǎn)。

圖5 模式2對(duì)應(yīng)不同光強(qiáng)時(shí)串聯(lián)光伏組件輸出的I-V,P-V曲線Fig.5 I-V and P-V curves of the series PV modules under different irradiances of mode two

3 集中式光伏系統(tǒng)的改進(jìn)

圖6是光伏組件PV1,PV2在相同條件下串聯(lián)和并聯(lián)時(shí)輸出的功率電壓曲線?？梢?jiàn),組件串聯(lián)時(shí)輸出的功率是132.9 W,而并聯(lián)時(shí)輸出的功率是160.7 W,多輸出20.9%的功率。部分遮擋時(shí)組件并聯(lián)比串聯(lián)多輸出功率是因?yàn)榻M件的最大功率點(diǎn)電壓約為開(kāi)路電壓的80%,而開(kāi)路電壓主要和溫度有關(guān),與日照強(qiáng)度關(guān)系不大,所以兩塊組件幾乎可以同時(shí)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)的位置。但組件并聯(lián)時(shí)輸出電壓低,對(duì)電壓要求高的場(chǎng)合不適用,而且輸出電流大,器件會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗,所以在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)視具體情況選擇使用。

圖6 串聯(lián)和并聯(lián)光伏組件輸出的 P-V曲線Fig.6 P-V curves of the series and parallel PV modules

針對(duì)并聯(lián)組件的優(yōu)點(diǎn),可以對(duì)傳統(tǒng)的集中式光伏系統(tǒng)進(jìn)行如圖7所示的改進(jìn)。將并聯(lián)的光伏組件PV11,PV12,…,PV1n看做一個(gè)光伏組件,通過(guò)一個(gè)DC/DC變換器進(jìn)行MPPT的控制,然后將這些DC/DC變換器進(jìn)行級(jí)聯(lián)就可以獲得足夠大的電壓和功率,最后通過(guò)變流器供負(fù)載使用。這種連接方法可以減少DC/DC變換器的數(shù)量,降低硬件成本,而且可以避免部分遮擋對(duì)串聯(lián)光伏組件的影響。

圖7 改進(jìn)的集中式光伏系統(tǒng)Fig.7 Improved centralized PV sy stem

4 部分遮擋時(shí)的發(fā)電控制電路

部分遮擋時(shí),串聯(lián)光伏組件功率電壓曲線呈多峰狀,在某些情況下,被遮擋的光伏組件會(huì)因?yàn)榉床⒙?lián)二極管的存在而被旁路掉,不輸出任何功率。本文介紹一種光伏組件發(fā)電控制電路[7],部分遮擋時(shí),該電路的存在可使未被遮擋和被遮擋的光伏組件均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處,輸出最大功率。

圖8即為由多級(jí)斬波電路構(gòu)成的發(fā)電控制電路(GCC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖8 多級(jí)斬波電路構(gòu)成的GCC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Circuit configuration of GCC based on a multistage chopper

由以上公式可以看出,可以通過(guò)控制各開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件端電壓的控制,使光伏組件均工作在各自最大功率點(diǎn)處。輸出功率為各個(gè)組件輸出最大功率之和。

圖9 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.9 Drive signals of the switch tube

圖10是利用2個(gè)被部分遮擋的串聯(lián)光伏組件、GCC和后級(jí)的buck電路組成的仿真模型的仿真結(jié)果。在仿真時(shí)間的1 s處啟動(dòng)GCC,在2 s處增加組件陰影遮擋的強(qiáng)度,在3 s處去除陰影。由圖10可以看出,在1s處啟動(dòng)GCC后光伏組件的輸出功率明顯增加。

圖10 串聯(lián)光伏組件部分遮擋輸出功率圖Fig.10 Output power of the series PV modules under partial shade

5 結(jié)論

本文對(duì)部分遮擋時(shí)光伏組件并聯(lián)連接的情況進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的集中式光伏系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。文章最后介紹了一種可以使串聯(lián)光伏組件部分遮擋時(shí)輸出最大功率的發(fā)電控制電路。

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