【《局部遮阴光伏阵列输出特性分析》3800字】

PAGE63局部遮阴光伏阵列输出特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u23779局部遮阴光伏阵列输出特性分析 1203871.1光伏电池工作原理 1288731.2光伏电池建模和仿真 2320221.1.1光伏电池单二极管数学模型 2136061.1.2光伏电池双二极管数学模型 3126691.1.3光伏电池仿真模型 3236971.3光伏电池输出特性 546011.4局部遮阴光伏阵列输出特性 7186911.4.1光伏阵列输出多峰原理 8277951.4.2局部遮阴光伏阵列仿真及分析 8本章通过对光伏电池的建模及仿真，分析单电池的输出特性及4块电池串联在一起的光伏阵列的输出特性。为局部遮阴下的光伏阵列MPPT控制提供理论基础。1.1光伏电池工作原理光伏电池可以将太阳光能转化成电能，理论依据为半导体的光生伏特效应。市面上的光伏电池大多是以硅为原材料，根据材质的不同可分为单晶硅光伏电池，多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池具有较高的工作效率，但构造成本也较高[44]。光生伏特效应指半导体受光照，空间电场发生改变，电荷分布被打乱，从而在半导体两端产生电势差。光伏电池半导体材料吸收了光子所需携带的能量后，在空间中产生非平衡的电子-空穴对，这些电子-空穴对在区域内做漂移运行。空穴从N型半导体向P型半导体移动，而电子从P型半导体流向N型半导体，PN结两端生成方向与势垒电动势不同的电势差。光伏电池外接负载构成通路后产生电流，为负载提供功率。光伏电池工作过程如图1.1所示：图1.1光伏电池工作过程Figure1.1PVcellprocesses1.2光伏电池建模和仿真1.1.1光伏电池单二极管数学模型光伏电池的数学模型有多种，常见的根据并联二极管数量可分为单二极管型和双二极管型[45]。图1.2单二极管拓扑图Figure1.2Singlediodetopology单二极管拓扑图如图1.2所示。其中Iph为光生电流，其大小受半导体材料和光伏电池外部环境的影响，主要为光照强度和环境温度，可以将其视为理想电流源。ID为流过并联二极管D的电流，称为暗电流或者扩散电流。Rsh主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电阻组成，一般为几千欧姆，Ish为漏电流。Rs是由电池体电阻、表面电阻、电极与硅表面接触产生的等效串联电阻，通常小于1欧。IPV为光伏电池输出电流，UPV为光伏电池输出电压[46]。根据基和尔霍夫电流定律可以得到式（1.1）：（1.1）其中，Iph、ID和Ish的计算如式（1.2）、式（1.3）和式（1.4） （1.2） （1.3） （1.4）式中，Iscr为标准测试条件下，即温度25°C，光照强度1000W/m2时光伏电池短路电流；Kt为短路电流的温度系数，一般取0.002；λ为光照强度；Io为二极管饱和电流；q为电子电荷，取值1.6×10-19C；A为PN结理想因子；K为玻耳兹曼常量，取值1.38×10-23J/K；T为光伏工作时的绝对温度，25°C为298K。1.1.2光伏电池双二极管数学模型双二极管模型能精确表述光伏电池特性[47]，其电路拓扑如图1.3所示：图1.3双二极管拓扑图Figure1.3Dualdiodetopology根据拓扑图可得输出电流为式（1.5）： （1.5）其中，ID1和ID2的计算如式（1.6）、式（1.7）： （1.6）（1.7）双二极管光伏电池模型具有更高的精度，但计算更复杂，模型搭建比较困难，在实际的光伏MPPT技术研究中应用并不广泛，因此本文主要针对单二极管光伏电池进行研究。1.1.3光伏电池仿真模型在标准测试条件下，T=298K，即25摄氏度。由式（1.2）可得Iph=Iscr。由于并联电阻Rsh值较大，通过的电流Ish远小于光电流，因此可忽略不计，修正后的光伏输出电流如式（1.8）：（1.8）以上各式根据电路理论推导出光伏电池基本表达式，由于式中包含的Rs、Io、A实际测量困难，光伏电池出厂时也不会标注这几个参数，因此对光伏电池的仿真搭建造成一定的困难。实际生产中，太阳能电池厂商会提供光伏电池的４个特性参数，分别为开路电压Uoc、短路电流Isc(Iscr)、最大功率点电压Um和最大功率点电流Im。其最大功率点功率Pm为光伏电池在最大功率点工作时的输出功率，即Pm=Um×Im。通过已知条件可以得到三组方程，见式（1.9）：（1.9）三组方程可求解三组未知数，可求得Rs、Io、A分别如式（1.10）、式（1.11）、式（1.12）：（1.10）（1.11）（1.12）其中X，Y为中间变量，计算如式（1.13）、式（1.14）：（1.13）（1.14）仿真所用的光伏电池特性参数为开路电压31.9V，短路电流8.21A，最大功率点电压26.4V，最大功率点电流7.58A。根据上述公式计算相应参数并搭建了MATLAB/Simulink环境下光伏电池内部模型图，如图1.4所示：图1.4光伏电池仿真模型Figure1.4SimulationModelofPhotovoltaicCell1.3光伏电池输出特性光伏系统最基本的单元是光伏电池，为满足光伏系统的电压和功率等级要求，需要串并联一定数量的光伏电池构成光伏阵列[48]。因此，获取光伏电池的输出特性是极其重要的，结合上一节搭建的光伏电池仿真模型，光伏电池特性测试模型如图1.5所示：图1.5光伏电池特性曲线测试Figure1.5TestofPVcellcharacteristiccurve标准测试条件下的光伏电池I-V曲线和P-V曲线分别如图1.6、图1.7所示：图1.6光伏电池I-V曲线Figure1.6I-Vcurveofphotovoltaiccells图1.7光伏电池P-V曲线Figure1.7P-Vcurveofphotovoltaiccells由图所示，光伏电池输出最大功率为200W，输出特性与所给参数一致，功率输出呈现出非线性且只有一个峰值点。光伏电池的输出特性受温度和光照的影响，根据以下两种不同情况对光伏电池输出特性进行分析。（1）温度不变，光强改变时温度25°C，光照强度分别为1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2时的光伏电池I-V和P-V曲线，如图1.8、图1.9所示：图1.8光伏电池I-V曲线Figure1.8I-Vcurveofphotovoltaiccells根据图1.8可知，短路电流受光强影响较大，随光强的降低，短路电流由8.21A下降到3.29A。光强对光伏电池开路电压的影响较小，可以发现光强由1000W/m2降到400W/m2时，光伏电池开路电压由31.9V降到31.6V。根据图1.9发现输出功率受光强影响较大，光强1000W/m2时对应输出功率200W，光强400W/m2时对应输出功率80.9W，输出最大功率随光照的增加而增加。光强变化时，最大功率点对应的电压基本保持一致，为26.4V。图1.9光伏电池P-V曲线Figure1.9P-Vcurveofphotovoltaiccells（2）光强不变，温度改变时光照强度保持1000W/m2，温度分别为15°C，25°C，35°C，45°C时的光伏电池I-V和P-V曲线，如图1.10、图1.11所示：图1.10光伏电池I-V曲线Figure1.10I-Vcurveofphotovoltaiccells图1.11光伏电池P-V曲线Figure1.11P-Vcurveofphotovoltaiccells根据图1.10可知，温度对光伏电池短路电流值的影响较小，温度从15°C到45°C变化时，短路电流基本保持在8.2A，开路电压随着环境温度的升高逐渐减小。由图1.11发现输出最大功率受温度影响较小，随着温度的升高，光伏电池的最大输出功率由207.8W降到183.9W，最大功率点电压相应减小。分析以上两种情况可以得出，光伏电池的输出特性受外界环境的影响较大，且输出具有非线性。其中输出功率主要受光照强度的影响，温度的变化对输出功率影响较小，而且实际的光伏电池工作时，环境温差不会太大，因此相应之下可以忽略温度对功率的影响[49]。本文主要研究光强对光伏电池输出功率的影响。1.4局部遮阴光伏阵列输出特性单块光伏电池的输出功率一般难以满足负载所需，为获得大功率的光伏输出，通常将几块光伏电池串联起来，组成光伏阵列。光伏阵列一般安装在光照充分，采光良好的地方，但太阳的位置是变化的，周围建筑物或者树木的投影可能会遮挡住光伏板。即使周围没有建筑物的影响，飞鸟或者乌云，落在光伏板上的灰尘及遮挡物，都会在光伏板上产生或多或少的局部阴影，影响光伏阵列的功率输出[50]。串联在一起的光伏电池，当所受光照不同时，即产生局部遮阴，被遮挡的光伏电池此时不再对外输出功率，相反，会吸收其他光伏电池所产生的电能，使整体光伏阵列输出功率降低，影响光伏工作效率。处在长时间局部遮阴下的光伏电池，温度会逐渐上升，超过一定温度后会永久的损坏光伏电池，这就是所谓的“热斑效应”[51]。即使光照均匀时，受光伏电池制造工艺的影响，也可能产生热斑效应。热斑效应常见于光伏阵列中，降低光伏阵列输出功率的同时影响光伏产品的使用寿命，对遮阴下的光伏阵列输出特性的研究在光伏系统中尤为重要。1.4.1光伏阵列输出多峰原理为解决热斑效应带来的问题，实际应用中会在光伏电池的输出端并联一个旁路二极管[52]。当局部遮阴时，被遮挡的光伏电池充当负载，电池输出端的电压使并联二极管正向导通，此时电流会通过二极管，将被遮阴的光伏电池短路。由于并联二极管的存在，虽然局部遮阴下光伏阵列输出功率受到影响，但不会损坏光伏电池本身，消除了热斑效应带来的危害。旁路二极管的存在，使局部遮阴下光伏阵列输出特性复杂多变，不再满足单块电池的单峰特性。光伏阵列的I-V曲线存在多个膝点，P-V曲线存在多个极点。研究发现，n块串联在一起的光伏电池，同处于均匀光照下时，P-V曲线仍满足单峰特性。如果光伏阵列受到m种不同的光照，则I-V曲线存在m个膝点，P-V曲线存在m个极值点。极值点的个数受串联光伏电池个数n的限制，极值点最多不超过n个。光伏阵列输出特性和串联电池个数以及光照情况息息相关，局部遮阴造成的光照越不均匀，光伏阵列输出特性曲线越复杂。1.4.2局部遮阴光伏阵列仿真及分析局部遮阴下的光伏阵列输出功率曲线具有多个峰值点，为具体分析局部遮阴下的光伏阵列输出特性，在MATLAB/Simulink环境下搭建如图1.12所示的光伏阵列仿真模型，光伏阵列由4块并联了旁路二极管的光伏电池串联而成，每块电池的最大输出功率为200W，为模拟光伏阵列局部遮阴情况，给定三种不同的光照情况，其中每块光伏电池的光照情况如表1.1所示。图1.12光伏阵列局部遮阴特性曲线测试Figure1.12Measurementoflocalshadingcharacteristiccurveofphotovoltaicarray表1.1光照情况Table1.1Illumination光照S1S2S3S4case1case2case310001000100010001000100010008008001000800600三种不同光照情况下，光伏阵列I-V曲线和P-V曲线分别如图1.13，图1.14所示：图1.13光伏阵列I-V曲线Figure1.13I-Vcurveofphotovoltaicarray图1.14光伏阵列P-V曲线Figure1.14P-Vcurveofphotovolta