基于Matlab的光伏陣列全局重構(gòu)系統(tǒng)的研究

王志剛， 姚秀萍

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830000)

基于Matlab的光伏陣列全局重構(gòu)系統(tǒng)的研究

王志剛1， 姚秀萍2

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830000)

針對光伏列陣不同陰影分布情況下，光伏列陣的輸出功率具有波動性。在Matalb中，建立光伏陣列物理機(jī)制模型，并且對光伏陣列在不同的陰影分布情況下的輸出功率進(jìn)行仿真。根據(jù)光伏陣列陰影分布最優(yōu)原則，建立一種交叉開關(guān)矩陣電路對光伏陣列的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新構(gòu)造。編寫矩陣開關(guān)驅(qū)動模塊程序，對開關(guān)矩陣開關(guān)進(jìn)行控制。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，對比安裝和非安裝系統(tǒng)的光伏陣列輸出特性，證實(shí)系統(tǒng)的可靠性。

全局重構(gòu)；Matlab；交叉矩陣開關(guān)；陰影

光伏陣列的陰影問題，一直是光伏研究的熱點(diǎn)。光伏列陣由于容易受到受到周圍建筑物、樹木、電線桿和空中云的影響，導(dǎo)致模組的特性變差，能量輸出能力降低，甚至形成熱斑，損壞模組[1]。

本文針對光伏陣列在陰影環(huán)境下，輸出能力降低的問題,設(shè)計(jì)了一種光伏陣列的全局重構(gòu)系統(tǒng)，用于改變和優(yōu)化光伏陣列的結(jié)構(gòu)以提高輸出功率[2]。先在Matlab里建立了基礎(chǔ)光伏組件電路等效的物理機(jī)制光伏組件數(shù)學(xué)模型。然后通過實(shí)驗(yàn)確定了光伏陣列的陰影最優(yōu)分布情況，根據(jù)陰影分布情況，通過交叉矩陣開關(guān)合理分配光伏組件在陣列中的位置，從而使陰影在光伏陣列中均勻分布。使光伏陣列在同等陰影下輸出最大的輸出功率。與文獻(xiàn)[3]的局部重構(gòu)系統(tǒng)相比，全局重構(gòu)系統(tǒng)不用加入補(bǔ)償?shù)墓夥M件，節(jié)約了成本。

1 全局重構(gòu)系統(tǒng)

1.1 全局重構(gòu)系統(tǒng)工作原理

光伏陣列在工作中，受到云層、灰塵、樹蔭等陰影的影響，輸出功率具有一定的波動性。由于云層厚度、灰塵厚度等影響因素不同，陰影在陣列上的影響程度也不同。利用光伏陣列陰影的最優(yōu)分布原理[4]，將不同陰影程度下的光伏組件進(jìn)行最優(yōu)化分配，從而達(dá)到陰影的最優(yōu)分布，使光伏陣列達(dá)到陰影條件下的最大輸出功率。

全局重構(gòu)系統(tǒng)包括測量模塊、矩陣開關(guān)和矩陣開關(guān)的驅(qū)動模塊。測量模塊通過采集光伏組件的輸出電壓與電流，進(jìn)而計(jì)算光伏組件上的光照強(qiáng)度，通過和標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度進(jìn)行比較輸出判斷信號。矩陣開關(guān)通過開端方式的不同組合，將光伏組件位置進(jìn)行重新分配，從而達(dá)到陰影的最優(yōu)分布。矩陣開關(guān)驅(qū)動模塊，通過對測量模塊的判斷信號的采集和分析，輸出不同組合的開關(guān)驅(qū)動信號，控制矩陣開關(guān)的開端。

1.2 全局重構(gòu)系統(tǒng)的建模

1.2.1光伏陣列的建模

太陽能光伏電池利用光生輻打效應(yīng)產(chǎn)生光生電流。光伏電池的等效電路如圖1所示[5]。

根據(jù)光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和和電流特性，建立光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的公式[6]表示如下：

圖1 電池等效電路圖

采用Solarex MSX 60 W電池組件的參數(shù)建立模型。電池組件參數(shù)如表1所示。

表1 電池組件Solarex MSX 60 W參數(shù)

實(shí)際應(yīng)用中，將單體電池串并聯(lián)，得到所需輸出電壓和電流。輸出特性方程：

本文所建立的電池模型，并聯(lián)數(shù)為1，串聯(lián)數(shù)為36，帶入式(4)可得：

由公式(1)～(6)，在Matlab Simulink里搭建電池組件物理模型，得到為1 000,800,600 W/m2，=298 K電池組件的輸出特性如圖2和圖3所示。

圖2 U-I特性曲線

圖3 U-P特性曲線

1.2.2測量模塊的建模

測量模塊用于采集光伏組件輸出的電壓和電流，從而計(jì)算得到光伏子模塊上的輻照度。將子模塊上的輻照度和標(biāo)準(zhǔn)光照相互比較。當(dāng)子標(biāo)準(zhǔn)輻照度等于或者小于子模塊的當(dāng)前輻照度，測量模塊判斷為無陰影或更強(qiáng)光照，測量模塊輸出數(shù)字信號0；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)輻照度小于子模塊當(dāng)前輻照度，測量模塊判斷為陰影，測量模塊輸出數(shù)字信號1。子模塊輻照度和陰影判斷計(jì)算公式[3]如下：

基于公式(7)(8)在Matlab Simulink里搭建測量模塊。

1.3 交叉矩陣開關(guān)和驅(qū)動模塊的建模

1.3.1交叉矩陣開關(guān)的建模

基于傳統(tǒng)的矩陣開關(guān)，設(shè)計(jì)了一種更為簡單的交叉矩陣開關(guān)。此種矩陣子模塊由4個(gè)IGBT組成，通過控制4個(gè)IGBT的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)光伏子模塊的兩兩不同組合方式，從而實(shí)現(xiàn)陰影模塊的最優(yōu)分布目的。交叉矩陣開關(guān)電路圖如圖4所示。

圖4 交叉矩陣開關(guān)電路圖

1.3.2驅(qū)動模塊的建模

本文建立了簡單的2×2光伏陣列。通過實(shí)驗(yàn)得到了光伏陣列的陰影最優(yōu)分布情況，如表2所示。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到該光伏陣列的所有最優(yōu)分布情況。根據(jù)最優(yōu)分布情況，在Matlab里利用S-function模塊，編寫驅(qū)動程序。程序流程圖如圖5所示。

表2 光伏陣列陰影分布

1.3.3 全局重構(gòu)系統(tǒng)的建模

將光伏組件、測量模塊、交叉矩陣開關(guān)和矩陣開關(guān)的驅(qū)動模塊在Matlab中進(jìn)行全局重構(gòu)系統(tǒng)的建模。全局重構(gòu)系統(tǒng)電路圖如圖6所示。

圖6 光伏陣列全局構(gòu)造系統(tǒng)模型

2 全局重構(gòu)系統(tǒng)對輸出特性的影響

分別對安裝和非安裝全局重構(gòu)系統(tǒng)，陰影數(shù)為2的光伏陣列進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過不斷調(diào)整負(fù)載數(shù)值，得到2組光伏陣列的輸出電流和電壓對數(shù)據(jù)，從而可以計(jì)算光伏陣列輸出功率。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[7]得到重構(gòu)系統(tǒng)的U-P曲線。光伏陣列的U-P擬合曲線如圖7所示。

從圖7可以看出安裝全局重構(gòu)系統(tǒng)的光伏陣列輸出的最大功率比沒有安裝系統(tǒng)的光伏陣列的最大功率提升了4.5%。在實(shí)際應(yīng)用中可由最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)系統(tǒng)完成最大功率的輸出。

圖7 光伏陣列U-P擬合曲線

3 結(jié)論

光伏陣列在實(shí)際運(yùn)行中，受到陰影的影響，光伏陣列輸出的最大功率從而受到影響。本文為了追求同等陰影程度下，光伏陣列的最大輸出功率，根據(jù)陰影的最優(yōu)分布原理，在Matlab中，設(shè)計(jì)2×2光伏陣列的全局重構(gòu)系統(tǒng)，使陰影實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)分布，最大輸出功率得到了提升。

實(shí)際應(yīng)用中，光伏陣列的階數(shù)更多，且陰影布局更為復(fù)雜，但是更高階數(shù)的光伏陣列在最優(yōu)陰影分布下的最大輸出功率提升效果更為顯著。而且交叉矩陣開關(guān)可以將陣列分為許多2×2階的子模塊，從而為陰影的重構(gòu)提供了便利條件，為工程實(shí)踐中光伏陣列在陰影下最大功率的提升提供了指導(dǎo)意義。

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Research on global reconfiguration system of photovoltaic arrays based on Matlab

The output power of pv array was undulatory under different distribution of shadow.Photovoltaic array physical mechanism model was set up based on Matlab.And the output power of pv array under different distribution of the shadows was simulated.According to the optimal distribution principle of the pv array shadow,a cross switch matrix circuit was established to reconstruct the structure of pv array.A matrix switch driver module procedure was wrote to control the switch matrix switch.Based on the results of simulation,installation system and the installation system of pv array's output characteristic were compared,and the reliability of system was verified.

global reconfiguration;Matlab;switch matrix switch;shadow

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0628-03

2015-08-19

王志剛(1990—)，男，河北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電和光伏的電力系統(tǒng)分析及其控制。