復(fù)雜光照條件下光伏組件輸出特性研究

梁 田，王勝輝，李瀟瀟，烏 熱，于寶勝

（1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.遼寧能源投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 新能源發(fā)展部，遼寧 沈陽 110000；3.遼寧太陽能研究應(yīng)用有限公司a.綜合部；b.工程部，遼寧 沈陽 110136）

1 光伏組件的數(shù)學(xué)模型

在分析光伏組件特性時，常用的參數(shù)包括光生電流、光伏電池飽和電流、反向飽和電流、等效電阻分流電流和輸出電流：

根據(jù)式（1）～（5）搭建光伏組件模型，如圖1 所示。通過外接溫度T、光照強(qiáng)度S以及外接可控電壓將該模型進(jìn)行封裝連接，選用天威英利新能源有限公司的光伏電池板，其峰值電壓為18.1 V，峰值電流為7.74 A，峰值功率為140 W。

圖1 光伏組件輸出模型

2 2塊光伏組件串聯(lián)的輸出特性

光伏組件的輸出功率常常受到外界條件的制約，特別是光照強(qiáng)度和溫度等，而廠商提供的光伏電池板參數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)狀況（Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃）下的，所以有必要對光伏組件在不同光照下的輸出特性進(jìn)行研究。

根據(jù)圖1 所示的光伏組件模型，對每個電池組件并聯(lián)1 個旁路二極管，將參考電壓輸入添加至光伏電池內(nèi)部，形成定值輸入，添加一個可控電壓源模塊控制光伏電池的輸出電壓，其仿真模型如圖2所示。

圖2 兩塊光伏組件串聯(lián)的仿真模型

云層遮擋、障礙物、污染物或者樓體反射等情況會導(dǎo)致部分光伏組件的輻照度發(fā)生變化，如表1所示。根據(jù)表1 對模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 和圖4所示。

表1 組件1與組件2的輻照度變化表 W/m2

圖3 兩塊光伏組件串聯(lián)時的U-P輸出特性曲線

圖4 兩塊光伏組件串聯(lián)時的U-I輸出特性曲線

由圖3 和圖4 可知，當(dāng)2 塊光伏組件串聯(lián)時，最大功率點位于前后波峰極值之間。光伏組件在正常光照下的U-I曲線是膝形；當(dāng)存在復(fù)雜光照條件時，U-I曲線則由多個階梯組成，且復(fù)雜條件越多，曲線越復(fù)雜。當(dāng)兩塊光伏組件受到非均勻光照射，其中一塊光伏電池輻照度增加且幅度較大，另一塊光伏電池輻照度降低且幅度較大時，光伏組件的輸出電流會出現(xiàn)大幅度、跨越式下降。當(dāng)兩塊光伏組件受到非均勻光照射而導(dǎo)致兩塊光伏電池輻照度同時大幅度增大時，其U-P 特性曲線近似無雙峰出現(xiàn)（圖中6號曲線），且輸出功率大幅度增大。

3 3塊光伏組件串聯(lián)的輸出特性

在圖2的基礎(chǔ)上，串聯(lián)第3塊光伏組件，每塊組件的輻照度和溫度變量計為S和T，仿真模型如圖5所示。

圖5 三塊光伏組件串聯(lián)的仿真模型

3 塊光伏組件受到的輻照度變化如表2 所示，仿真結(jié)果如圖6和7所示。

表2 組件1、組件2與組件3的輻照度變化表 W/m2

圖6 3塊光伏組件串聯(lián)時不同光照下的U-P特性曲線

由圖6 和圖7 可知，當(dāng)3 塊光伏組件串聯(lián)時，在光伏組件所受輻照度相同的條件下，陰影分布越不均勻，組件的功率損失就越大。當(dāng)組串式光伏陣列的每塊光伏組件均受到樓體反射，導(dǎo)致所受到的輻照度增加為1 100 W/m2時，2 塊光伏組件串聯(lián)的最大輸出功率為330 W（標(biāo)準(zhǔn)測試條件下為290 W），3 塊光伏組件串聯(lián)的最大輸出功率為450 W（標(biāo)準(zhǔn)測試條件下為420 W）；當(dāng)組串式光伏陣列的每塊光伏組件受到的輻照度減少為500 W/m2時，2個光伏組件串聯(lián)的最大輸出功率為120 W，3 個光伏組件串聯(lián)的最大輸出功率為200 W。根據(jù)圖7（曲線3、6、9）可知，當(dāng)3 塊光伏組件串聯(lián)時，若每塊光伏組件所受輻照度相差200 W/m2時，其最大輸出功率為80 W；所受輻照度相差300 W/m2時，最大輸出功率為120 W；所受輻照度相差400 W/m2時，最大輸出功率為155 W。因此，當(dāng)光伏組件所受輻照度相差越多時，其最大輸出功率越大。根據(jù)圖7 中的曲線2 和曲線10 可知，當(dāng)3 塊光伏組件串聯(lián)，其中一塊未受到陰影遮擋時，另兩塊光伏組件受輻照度相差越多，其最大輸出功率越大（圖中曲線2 為200 W，曲線10為180 W）。

圖7 3塊光伏組件串聯(lián)時不同光照下的U-I特性曲線

4 2×2光伏陣列輸出特性

針對24 V 獨立系統(tǒng)，在圖2 的基礎(chǔ)上設(shè)計了2塊光伏組件先串聯(lián)再并聯(lián)的2×2 光伏陣列仿真模型，如圖8所示。

圖8 2×2光伏陣列仿真模型

2×2光伏陣列中的4塊光伏組件受到的輻照度變化如表3 所示，該模型在復(fù)雜光照條件下仿真得到的輸出特性如圖9和圖10所示。

圖9 2×2光伏陣列在不同光照下的U-P特性曲線

圖10 2×2光伏陣列在不同光照下的U-I特性曲線

表3 組件1、組件2、組件3與組件4的輻照度變化表W/m2

當(dāng)2×2光伏陣列中的組件1和組件2的輻照度減小至500 W/m2，組件3 和組件4 的輻照度增加至1 100 W/m2，即串聯(lián)的兩組光伏組件輻照度變化一致時，其U-P 特性輸出曲線與2×2 光伏陣列受到均勻陰影時的特性輸出曲線形狀相同；當(dāng)2×2光伏陣列中的4 塊光伏組件輻照度變化如表3 中的序號2和序號3 時，其U-P 特性輸出曲線有2 個峰值，其U-I特性輸出曲線有2個膝點；當(dāng)2×2光伏陣列中的4塊光伏組件所受的輻照度均增加至1 100 W/m2時，其最大輸出功率為648 W。

5 結(jié)論

1）在復(fù)雜光照條件下，組串式光伏陣列和2×2光伏陣列的U-P特性輸出曲線呈多峰值狀，U-I特性輸出曲線呈階梯狀，其U-P 曲線極點數(shù)也會隨著光照變化復(fù)雜程度的增加而增加。

2）在復(fù)雜光照條件下，組串式光伏陣列的U-P特性輸出曲線會存在多個最大功率點，而最大功率點的位置不確定，傳統(tǒng)的最大功率算法失效，需要有改進(jìn)的跟蹤算法對其進(jìn)行最大功率跟蹤。