徐保友，黃摯雄，焦曉雷

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410075）

為了使光伏陣列輸出盡可能多的能量，光伏陣列的設(shè)計(jì)和安裝一般遵循以下原則：光伏陣列周圍沒有高層建筑、樹木或山脈等陽光遮擋物，在冬至日早晨9:00至下午3:00沒有前后排陰影遮擋。隨著光伏建筑一體化的發(fā)展，城市高密度建筑群導(dǎo)致光伏陣列局部陰影問題難以避免。局部陰影對光伏陣列的影響有2個(gè)方面：一是導(dǎo)致光伏陣列輸出功率降低，光伏陣列發(fā)熱加劇，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生熱斑效應(yīng)，損壞光伏組件；二是局部峰值對MPPT控制的干擾，使常規(guī)的最大功率點(diǎn)算法失效，而陷入局部極大值點(diǎn)。因此在進(jìn)行光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮局部陰影的影響，并對光伏陣列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

本文從工程實(shí)際出發(fā)，建立了光伏陣列的工程數(shù)學(xué)模型，分析了局部陰影條件下光伏陣列的發(fā)電特性。采用光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件PVSYST對單晶硅、多晶硅和薄膜電池等3種不同材料的光伏陣列在局部陰影條件下的發(fā)電效率進(jìn)行分析和比較，為工程中光伏電池的選型提供了良好的指導(dǎo)作用。最后提出了幾種提高光伏陣列抗局部陰影能力的措施。

1 光伏電池輸出特性

1.1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

在實(shí)際應(yīng)用中，太陽電池板生產(chǎn)廠家通常僅為用戶提供產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（AM1.5光譜，光照強(qiáng)度1 000 W/m2，光伏電池溫度300 K）測出短路電流Isc、開路電壓Voc、最大功率點(diǎn)電流Im和最大功率點(diǎn)電壓Vm。本文采用光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型[2]：

現(xiàn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用集中逆變式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，光伏電池以串/并聯(lián)的形式組合，封裝成一個(gè)整體構(gòu)成光伏模塊。設(shè)光伏模塊由n×m塊光伏電池封裝而成，n為串聯(lián)電池個(gè)數(shù)，m為并聯(lián)組數(shù)。則光伏模塊的數(shù)學(xué)模型為：

選用siemens公司的SP75光伏電池模組進(jìn)行分析，它有36個(gè)單晶硅光伏電池串/并聯(lián)而成。SP75在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的工程參數(shù)為：Im=4.4 A，Vm=17 V，Isc=4.8 A，Voc=21.7 V。

利用MATLAB軟件對SP75進(jìn)行仿真分析，不同光照條件下光伏模塊的I-V特性曲線和P-V特性曲線如圖1和圖2所示。

圖1 不同光照強(qiáng)度下光伏模塊I-V特性Fig.1 I-V characteristic under different light intensity

圖2 不同光照強(qiáng)度下光伏模塊P-V特性Fig.2 P-V characteristic under different light intensity

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出光伏電池的輸出特性：溫度相同時(shí)，隨著日照強(qiáng)度的增加，光伏電池的開路電壓幾乎不變，短路電流有所增加，最大輸出功率也會(huì)增加。但無論在任何溫度和日照強(qiáng)度下，光伏電池都只有一個(gè)最大功率點(diǎn)。

1.2 局部陰影下光伏陣列輸出特性

實(shí)際應(yīng)用中，光伏系統(tǒng)為了獲得足夠大的輸出電壓，往往將多個(gè)光伏模塊進(jìn)行串聯(lián)，組成光伏陣列。如果光伏陣列中所有模塊受到相同的太陽輻射，光伏陣列輸出的最大功率等于所有模塊的最大功率之和。相反，如果出現(xiàn)局部陰影問題則光伏陣列的輸出就會(huì)出現(xiàn)問題。為了模擬光伏陣列在局部陰影條件下的發(fā)電特性，該文采用2個(gè)子模塊串聯(lián)形式，其中一個(gè)光伏模塊處在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，另一個(gè)光伏模塊分別處在700 W/m2光照強(qiáng)度條件下。當(dāng)光伏陣列的電流小于處在陰影條件下的光伏模塊的短路電流時(shí)，光伏陣列的電壓等于二個(gè)串聯(lián)光伏模塊的電壓之和；如果光伏陣列的電流大于處在陰影條件下的光伏模塊的短路電流時(shí)，陰影條件下的光伏模塊就會(huì)吸收能量，導(dǎo)致光伏模塊發(fā)熱甚至損壞。為了解決以上問題一般為每個(gè)光伏模塊接并聯(lián)一個(gè)旁路二極管[3]，這也是光伏電池商家普遍采用的方法。這種做法盡管保護(hù)了光伏模塊，但也導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)了多個(gè)功率極值點(diǎn)。局部陰影條件下光伏陣列的I-V特性和P-V特性如圖3和圖4所示。

圖3 局部陰影條件下I-V特性曲線Fig.3 I-V characteristic under partial shading

圖4 局部陰影條件下P-V特性曲線Fig.4 P-V characteristic under partial shading

對比圖2和圖4可以看出，局部陰影下光伏模塊的輸出功率有所減少，并出現(xiàn)多個(gè)功率極大值點(diǎn)，可能導(dǎo)致常規(guī)MPPT算法失效。

2 局部陰影對MPPT控制的影響

通過前面對于傳統(tǒng)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的光伏陣列輸出特性的研究可知在局部陰影條件下光伏陣列的P-V曲線呈現(xiàn)非線性、多峰值特性。采用常規(guī)的擾動(dòng)觀察法[4]進(jìn)行局部陰影條件下的MPPT控制，其效果如圖5所示。

圖5 基于擾動(dòng)觀察法的MPPT控制效果Fig.5 The effect of MPPT control based on the perturbation and observation method

由圖5可以看出，基于擾動(dòng)觀察法的MPPT控制跟蹤到的最大功率為68 W左右，為圖4中P-V曲線的一個(gè)極大值點(diǎn)，并不是全局最大功率120.88 W?？梢姵Ｒ?guī)的MPPT算法容易陷入局部極大值點(diǎn)，不再適用于局部陰影條件下光伏陣列的MPPT控制。

3 局部陰影對系統(tǒng)輸出功率的影響

由于陣列陰影問題對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的影響占主導(dǎo)地位，目前對陰影問題的研究主要集中在光伏陣列上。PVSYST光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件能夠較完整地對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，并且具備完善的光伏陣列局部陰影分析功能。下面我們以廣州地區(qū)為例利用PVSYST5.4軟件分析局部陰影條件下光伏陣列的發(fā)電情況。

在PVSYST5.4中我們選擇單晶硅電池STP 080S-12/Bb、多晶硅電池STP 080-12/Bb和非晶硅電池SMT 30等3種不同材料的光伏電池陣列進(jìn)行分析研究。3種光伏組件的布置方式、安裝面積及發(fā)電量如表1所示。

表1 光伏組件型號(hào)、布置方式、安裝面積及發(fā)電量Tab.1 The model,layout,installation area and power capacity of photovoltaic component

由表1可看出，使用非晶硅太陽能電池的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安裝面積要比單、多晶硅系統(tǒng)多很多。單晶硅電池和多晶硅電池的日平均發(fā)電量相差不大，而非晶硅薄膜電池因?yàn)榫哂休^好的弱光效應(yīng)，其日平均發(fā)電量要比單、多晶硅電池多13%。

對3種不同材料的光伏陣列設(shè)置不同的陰影條件，觀測發(fā)電情況，最終的模擬結(jié)果如表2所示。

表2 光伏陣列在不同陰影條件下的發(fā)電量Tab.2 Power capacity of PV array under different shading conditions

由表2可看出在小比例陰影條件下（≤20%），陰影對3種電池的發(fā)電量影響不大，功率損失都在5%以內(nèi)。但是隨著陰影的增大，3種材料的光伏陣列的功率損失都會(huì)大幅增加，全陰影條件單晶硅光伏陣列相對無陰影條件下的功率損失最大（45%左右），其次是多晶硅光伏陣列（31%左右），功率損失最小的是非晶硅光伏陣列（小于20%）。由此可見非晶硅光伏陣列的抗陰影能力相對較強(qiáng)。

4 提高抗陰影能力的措施

提高光伏陣列抗局部陰影能力的方法有：采用具有全局峰值判定功能的MPPT算法、采用直流模塊或采用微逆變器。采用具有全局峰值判定功能的MPPT算法只能解決局部峰值干擾問題。采用直流模塊或微逆變器可以同時(shí)解決全局峰值下降和局部峰值干擾問題。

1）采用全局峰值判定功能的MPPT算法。

局部陰影條件下的MPPT控制算法主要有：綜合常規(guī)算法的復(fù)合MPPT算法，F(xiàn)ibonacci搜索法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。這些算法或是易陷入局部極大值或是復(fù)雜，都難以滿足局部陰影條件下光伏陣列MPPT控制的需要。近年來，遺傳算法、粒子群算法[5]等進(jìn)化算法開始應(yīng)用于光伏陣列MPPT控制中，這類算法具有內(nèi)在并行性，能處理非線性、多極值點(diǎn)的優(yōu)化問題，具有良好的全局尋優(yōu)能力。

2）采用直流模塊。

高增益直流DC-DC模塊[6]負(fù)責(zé)將光伏組件輸出的低壓直流電能變換為高壓直流電能，光伏直流模塊具有獨(dú)立的最大功率點(diǎn)跟蹤能保證每個(gè)光伏組件均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，具有很高的抗局部陰影和組件電氣參數(shù)失配能力。采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)構(gòu)造靈活，支持即插即用和熱拔插，易于擴(kuò)容與維修。但是高增益直流模塊存在著應(yīng)用成本較高、對可靠性要求高等缺點(diǎn)。

3）采用微逆變器。

光伏并網(wǎng)微逆變器與單個(gè)光伏電池相連，可以將光伏電池輸出的直流電直接變換成交流電并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)[7]。能夠保證每個(gè)組件均運(yùn)行在最大功率點(diǎn)；抗局部陰影能力強(qiáng)，部分模塊失效不會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)造成影響；系統(tǒng)冗余度高、可靠性高。但也存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文主要研究局部陰影效應(yīng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的影響，通過理論分析和仿真驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

1）局部陰影效應(yīng)會(huì)使光伏陣列輸出功率減少，并且光伏陣列的輸出特性曲線是多峰值的，可能造成常規(guī)的MPPT算法失效。

2）由于采用數(shù)學(xué)建模的方法對局部陰影條件下的光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析是比較困難的，因此本文采用了光伏系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件PVSYST對單、多晶硅和非晶硅光伏陣列的發(fā)電量進(jìn)行模擬比較，得出非晶硅光伏陣列的抗陰影能力相對較強(qiáng)。

3）本文列舉了3種提高光伏陣列抗陰影能力的措施。其中微逆變器技術(shù)在近幾年受到越來越多的關(guān)注。隨著微逆變器技術(shù)的成熟，低成本、長壽命、高性能的微逆變器將具有很好的應(yīng)用前景。

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