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基于MATLAB/simulink 的关于局部阴影对于光伏电池阵列影响的研究
摘要
背景：
太阳能组件是光伏发电系统的基本发电单元。一个光伏发电系统的表现很大程度上取决于发电时的环境状况，比如温度，暴晒和处在局部阴影下。通常光伏电池阵列会被移动的云彩，周边建筑物，电线杆，树等物体完全或者部分的遮挡。处在这种局部阴影的状况下，光伏电池阵列会出现不止一次峰值的复杂情况，并且预测其特性来得到最大化的能量是非常重要的。而且，局部阴影导致的失配损失和热斑效应（光伏组件失配，太阳能电池在串，并联使用时，由于每片太阳能电池电性能不可能绝对一致，这就使得串，并联后的输出总功率往往小于各个单体太阳能电池输出功率之和，称作太阳能电池的失配。如果个别电池板发生“热斑效应”，在该阵列串上的其他电池板会因为这块电池板而受“牵连”，使整个阵列串同其他串发生失配，而大大降低了光伏电站的发电效率。）不仅影响整个光伏电池系统的输出，而且带来安全和可靠性问题。然而，要获得在非一致工况下的光伏电池的特性，非常昂贵并且要消耗大量的时间。因此，用一个仿真模型来研究局部阴影对光伏电池阵列的工作特性的影响非常有必要。一个100W的太阳能电池板将作为参考。这次的研究同样将焦点放在多种阴影状况下的模块，不同程度的曝晒，以及旁路二极管在系统中对于阵列输出的影响。
结果：处在不同阴影状况下的光伏电池输入和输出特性曲线被给出。模拟结果表明，遮阳组件数量越多，输出功率值越低，最大功率点的位置不依赖于遮阳组件的位置。
结论：本文提供了一种研究非一致工况下光伏阵列响应的简单方法:局部阴影法。此外，还研究了以下几点：
· 处在多种阴影状况下的模块对光伏电池特性的影响
· 局部阴影导致的不同曝晒程度和温度对光伏电池特性的影响
· 在改善光伏电池系统中，旁路二极管所起的作用
关键词： Matlab/Simulink，光伏电池, 局部阴影影响 , 输入输出特性 ,旁路二极管
背景
非一致工况下的光伏电池模型，比如阴影条件，已经在大量的文献中被研究并取得了一定的结果。
在早先的研究中，局部阴影情况只是作为光伏电池阵列环境影响（曝晒，温度等）的一个因素，例如在Ibbinietal .(2014)的研究中，得出的结果有相当大的局限性,不能给读者一个光伏电池阵列和阴影影响关系的一个综述。
在Mantri and Verma(2015)和Bouraiou等人(2014)的研究中，提出了一种利用Simulink中的Tag工具来研究阴影效果的模型，研究旁路二极管和不同程度的曝晒晒对光伏阵列工作特性的影响。然而，此次研究的局限性在于一个阵列中模块的数量有限(只考虑了两个模块)，所以结果并不充分，因为在现实中，肯定有两个以上的模块组合在一起形成光伏电池阵列。另外，还有一种叫做阻挡二极管的器件，它对光伏阵列的影响也没有被提到。
上述研究的空白由Seyedmahmoudianetal.(2013)、Belhaouasetal.(2013)、Ramasamyetal.(2014)、Ramaprabha and Mathur(2012)等人填补。Ramaprabha和Mathur(2012)的概述了不同类型的太阳能光伏系统配置,从那里定量研究了更多的旁路二极管的影响和不同。在本研究中，本研究只是在两种水平的太阳照射下进行的。Ramasamy等(2014)使用图形用户界面(GUI)工具研究阴影对最大功率的影响。在该研究中，研究只是在两种水平的太阳照射下进行的。Ramasamy et al.(2014)使用图形用户界面(GUI)工具研究阴影对最大功率点跟踪器(maximum power point tracker, MPPT)的影响，Belhaouasetal.(2013)和Seyedmahmoudian etal.(2013)只考虑了两个和三个旁接二极管的影响。
综上所述，以上研究探讨了阴影模块对太阳能光伏阵列运行的影响以及旁路二极管的作用。然而，没有强调阴影模块的位置会影响光伏系统的特征。此外，在实际应用中，当太阳辐照率降低时，温度的下降会伴随遮阳条件下不同水平的太阳曝晒而降低，因此需要对不同温度下的太阳的曝晒进行研究。
因此，本文将通过以下几点来聚焦在上述的缺陷上：
· 在Simulink环境下，利用标签工具开发了一个模型。该模型建立在考虑物理参数和环境参数影响的太阳能电池板基本电路方程的基础上，对研究这些参数对光伏电池板工作特性的影响上具有一定的优势
· 研究了局部阴影模组位置变化与光伏系统特性的关系
· 研究了不同遮阳条件下温度对光伏阵列工作特性的影响
方法
在Matlab/simulink中对光伏系统组件进行建模
太阳能电池，阵列等效电路
图1
光伏电池的等效电路如图1所示。它由电流源Iph组成，Iph表示细胞的光电流、分流电阻和细胞Rsh的串联电阻分别是Rs和a二极管。通常情况下，Rsh的值很大，Rs的值很小，为了简化分析，可以忽略它们。实际上，光伏电池是分组在较大的单位称为光伏模块，这些模块是串联或并联，以创建光伏阵列，用于发电的光伏发电系统。光伏阵列等效电路如图2所示。
太阳能电池的电压和电流特性方程为：(Tu和Su 2008;Salmi et al. 2012)
光电流Iph相应关系模块：
Iph = [Isc Ki(T minus; 298)]lowast;Ir/1000
其中Iph为光电流，Isc为短路电流，Ki为电池s短路电流温度系数，Ir为辐照。模块反向饱和电流Irs：
Irs = Isc /[exp (qVOC /NSknT ) minus; 1]
式中，q为电子荷，VOC为开路cir- cuit电压，NS为串联太阳能电池数，k为玻尔兹曼常数，n为二极管的理想因子，T为工作温度。模块饱和电流I0随电池温度的变化而变化：
图2
其中q为电子电荷，Eg0为半导体的带隙能，RS和Rsh分别为电池的串联电阻和并联电阻。PV模块的电流输出为
其中，NP为并联的太阳能光伏组件数，Vt为热电压。
基于上述方程式，利用Simulink环境中的Tag工具开发了太阳能组件模型。模型包括6个串联单元，如图3、4所示。因此，6个太阳能光伏组件组合在一起形成一个太阳能光伏阵列。模型如图5所示。案例分析阴影模块的位置和数量的影响
参考模型
以某100w太阳能光伏组件作为仿真参考模型，模块具体参数如表1所示、
情况分析
阴影模块的位置和数量的影响
情况 描述
1 无阴影光伏组件(太阳能光伏阵列全辐照：1000瓦每立方米）
2 一个阴影光伏模块:阴影模块的位置分别从1变到6(阴影模块：
500瓦每立方米，其他模块全辐射：1000瓦每立方米)
3 两个阴影模组具有相同的辐照强度（500瓦和1000瓦每立方米）
4 三个阴影模组具有相同的辐照强度（500瓦和1000瓦每立方米）
5 三个阴影模组具有不同的辐照强度（500瓦，300瓦和100瓦每立方米）
部分阴影和操作温度的影响
在实际中，当电池或模块被部分或全部遮挡时，模块的工作温度降低，因此本研究还研究了功率输出与阴影和温度效应一致的真实特性。研究将在以下情况下进行：
6 模型1，2和3：500瓦每立方米，温度为25度，辐照1000瓦每立方米
7 模型1，2和3：500瓦每立方米，温度为15度，辐照1000瓦每立方米
旁路二极管的影响
为了研究旁路二极管对太阳能光伏系统运行功能的影响，本文建立了旁路二极管对太阳能光伏系统运行功能的影响模型，如图5所示。在两种情况下讨论旁路二极管对太阳能光伏阵列输出功率的影响。
8 模型2，3和6：辐照强度分别为500瓦，300瓦和100瓦每立方米，温度为25度，没有旁路二极管
9 模型2，3和6：辐照强度分别为500瓦，300瓦和100瓦每立方米，温度为25度，有旁路二极管
10 模型2，3和6：辐照强度都为100瓦每立方米，温度为25度，有旁路二极管
结论与讨论
模拟结果如图6、7、8、9所示。对于1个阴影模块，I V曲线记录为2步，P V曲线记录为2峰，峰值VOC趋于60% - 65%，属于曲线的第一步。从图6、图7、图8可以看出，2、3个阴影模组的I - V曲线为两步曲线，其中峰值记录在曲线的第2个峰值处。此外，这些峰值属于80% - 85%的Voc。
图3
表1 DS -100m光伏组件电气特性数据
名称 DS-100M
额定功率 100W
最大功率电压 18V
最大功率电流 5.55A
开路电压 21.6V
短路电流 6.11A
串联细胞总数 36
并联细胞总数 1
最大系统电压 1000V
工作温度范围 40度~80度
图9(图5)为3个阴影模组的4步曲线，图中第二步为峰值点。
总结
1.当太阳能光伏系统部分处于局部阴影时时，输出功率下降。
2.阴影模块的数量增加，功率输出峰值的个数增加。
3.在阴影模组数目相同的情况下，随着阴影模组位置的不同，会记录相似的曲线。换句话说，在相同数量的阴影模组下，给出了相似的输出特性曲线，这些模组在阵列中的位置不同。
4.最大功率点的位置是独立的，有不同数量的阴影模块。
5.在太阳暴晒程度相似的荫蔽模块中，PV曲线峰值几乎是Voc的80%的倍数。然而，相邻峰间的位移约占阵列Voc的80%。
6.然而，在不同太阳照射下遮阳模块的案例研究中，PV曲线峰值往往为Voc的50%左右
Fig. 4 Simulation model of a module consisting of 6 cells connected in series (modeling of Eqs. (4) to (6))
图4
图5
Fig. 6 Operating curves in cases 1 and 2
图6
图7
Fig. 7 Operating curves in cases 1 and 3
Fig. 8 Operating curves in cases 1, 3 and 4
图8
图9
Fig. 9 Operating curves in cases 1, 3, 4 and 5
图10
Fig. 9 Operating curves in cases 1, 3, 4 and 5
图11
Fig. 11 Operating curves in cases 8, 9 and 10
局部阴影和工作温度的影响
仿真结果如图10所示。
总结：
1.在不考虑温度变化的情况下，记录了相似的I-V和P-V曲线。
资料编号：[5995]
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