本發(fā)明涉及一種光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能優(yōu)化建模方法。

背景技術(shù)：

光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照充足時發(fā)電量往往過剩，而在光照不足時又提供不了足夠的電能。為了避免造成能量浪費(fèi)和保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，光電傳輸儲能技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)。影響最大功率儲能的因素很多，其中局部陰影是一個極為重要的因素。局部陰影的存在對光伏陣列主要有兩個方面的消極影響：一是使光伏陣列的輸出功率降低，組件發(fā)熱加劇，嚴(yán)重時會導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，損壞光伏組件；二是使光伏陣列內(nèi)阻的非線性特性更加復(fù)雜，使P-U特性曲線產(chǎn)生多個功率峰值。局部峰值對最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制產(chǎn)生干擾，使常規(guī)MPPT算法陷入局部峰值而失效。系統(tǒng)工作偏離了最大功率點(diǎn)，則無法進(jìn)行最大功率儲能。因此，研究局部陰影條件下光伏陣列的輸出特性，對光伏系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用以及對研究光電傳輸最大功率儲能優(yōu)化，都具有重要的意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對光伏陣列局部陰影問題做了很多理論分析和實(shí)驗研究。文獻(xiàn)研究了局部陰影對光伏組件的影響，但沒有研究大型陣列；文獻(xiàn)利用簡化算法研究了局部陰影，對光伏陣列的影響，但沒有使用仿真模型。準(zhǔn)確分析局部陰影條件下光伏陣列輸出特性的關(guān)鍵在于合理地建模。文獻(xiàn)介紹了基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)介紹了光伏陣列的建模并分析了輸出特性，但這些模型都不適用于存在局部陰影的光伏陣列；文獻(xiàn)建立了局部陰影條件下串聯(lián)光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，但沒有拓展并聯(lián)支路；文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了局部陰影條件下光伏陣列的建模，但缺少實(shí)驗數(shù)據(jù)驗證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種方便實(shí)用、效果好的光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能優(yōu)化建模方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能優(yōu)化建模方法，其特征是：包括系列步驟：

(1)建立光伏單串陣列的數(shù)學(xué)模型：

假設(shè)一個單串光伏陣列由N_s1個無陰影遮擋的光伏電池和N_s2個有陰影遮擋的光伏電池串聯(lián)組成，I_sc1和I_sc2分別為無陰影和有陰影時光伏電池的短路電流；為了防止熱斑效應(yīng)，每一個光伏電池都要并聯(lián)旁路二極管；當(dāng)陣列輸出電流I>I_sc2時，大于I_sc2的電流從有陰影的光伏電池并聯(lián)的旁路二極管流過，此時只有無陰影的光伏電池對外輸出功率，有陰影的光伏電池及其旁路二極管都成為消耗功率的負(fù)載，這時的伏安特性為無陰影電池的伏安特性；當(dāng)I≤I_sc2時，對應(yīng)的旁路二極管形成反向偏壓，這時的伏安特性為有陰影電池的伏安特性，有陰影的光伏電池處于最大功率點(diǎn)；基于以上分析，單串陣列的數(shù)學(xué)模型可以由如下的分段函數(shù)表示：

(13)；

其中：

C₁＝(1-I_m/I_sc)exp(-V_m/C₂V_oc) (3)

C₂＝(V_m/V_oc-1)[ln(1-I_m/I_sc)]^-1 (4)

I：單串陣列輸出電流；

I_sc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的短路電流；

V：單串陣列輸出電壓；

N_s1個單串陣列中無陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的開路電壓；

I_sc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的短路電流；

N_s2個單串陣列中有陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的開路電壓；

I_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

V_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電壓；

V_oc：光伏電池開路電壓；

V_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電壓；

V_oc：光伏電池開路電壓；

(2)局部陰影條件下光伏陣列的數(shù)學(xué)模型：

局部陰影條件下的光伏陣列是由若干塊遮擋模式不相同的子陣列并聯(lián)組成，每一塊子陣列都是由若干條遮擋模式相同的單串陣列并聯(lián)組成，每一條單串陣列都是由若干種光照強(qiáng)度不同的子串串聯(lián)組成；基于這種結(jié)構(gòu)，光伏陣列的輸出電流為各個支路電流之和，光伏陣列的輸出電壓因并聯(lián)通常取各支路電壓的最大值，而且每條支路需要接一個阻塞二極管，防止電壓較小的支路有逆向電流流過；綜上所述，得出任意陰影情況下光伏陣列的輸出特性如下：

V_a＝max{V_x}

其中，N_p為光伏陣列并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)，I_x和V_x分別為式(13)所求的單串陣列的輸出電流和電壓；I_a：光伏陣列輸出電流；V_a：光伏陣列輸出電壓；式(14)即為局部陰影條件下光伏陣列的數(shù)學(xué)模型。

本發(fā)明方便實(shí)用、效果好。

本發(fā)明針對局部陰影這一光電傳輸最大功率儲能優(yōu)化的難點(diǎn)問題，重點(diǎn)研究了局部陰影條件下光伏陣列的輸出特性，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用MATLAB搭建了適用于局部陰影條件下的光伏陣列的仿真模型，并從單串陣列到多串陣列再到復(fù)雜陰影情況依次進(jìn)行仿真與分析。仿真結(jié)果表明，光伏陣列在局部陰影下的P-V曲線具有多峰值的復(fù)雜特性，使得常規(guī)MPPT算法難以捕捉到系統(tǒng)真正的最大功率點(diǎn)，這也正是影響光電傳輸最大功率儲能優(yōu)化的難點(diǎn)所在。在研究局部陰影條件下光伏陣列輸出特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)該研究適合于光伏系統(tǒng)多峰值的MPPT算法，以保證光伏系統(tǒng)無論處于何種復(fù)雜的環(huán)境都能工作在最大功率點(diǎn)，也為光電傳輸最大功率儲能優(yōu)化提供相應(yīng)的解決方法。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是獨(dú)立式光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)示意圖。

圖2是光伏電池等效電路示意圖。

圖3是光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的輸出特性示意圖(I-U特性)。

圖4是光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的輸出特性示意圖(P-U特性)。

圖5、圖6是三遮擋單串陣列在局部陰影條件下的仿真與實(shí)驗輸出特性對比示意圖，其中圖5是I-U特性，圖6是P-U特性。

圖7是局部陰影下光伏陣列建模流程圖。

圖8、圖9、圖10、圖11是單串陣列的輸出特性示意圖；其中圖8是P1～P3,P6I-U特性，圖9是P1～P3,P6P-U特性，圖10是P4～P7的I-U特性，圖11是P4～P7的P-U特性。

圖12、圖13是三種子陣列并聯(lián)的{10×100}光伏陣列示意圖；其中圖12是在圖11基礎(chǔ)上改變子陣列G2的光照強(qiáng)度和遮擋模式。

圖14、圖15是圖12所示{10×100}光伏陣列的輸出特性示意圖；其中圖14是I-U特性，圖15是P-U特性。

圖16、圖17是圖13所示{10×100}光伏陣列的輸出特性示意圖；其中圖16是I-U特性，圖17是P-U特性。

圖18是表2所示的4個8×8陣列的P-U特性示意圖。

圖19是表3所示的5種陣列格局的P-U特性示意圖。

I-U特性：電流-電壓特性(伏安特性)；

P-U特性：功率-電壓特性；

MPPT：最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking)；

PWM：脈沖寬度調(diào)制((Pulse Width Modulation)。

圖7中：i：子串下標(biāo)；

j：子陣列下標(biāo)；

G：記錄組成光伏陣列的子陣列數(shù)量的矩陣；

C：記錄組成單串陣列的子串?dāng)?shù)量的矩陣；

k：記錄子串中串聯(lián)光伏電池板數(shù)量的矩陣；

Vf：分段點(diǎn)電壓矩陣；

Vol：子陣列電壓；

Cur：陣列電流；

V_a：光伏陣列輸出電壓；

I_a：光伏陣列輸出電流。

圖12、圖13中：

G1～G3：三種遮擋模式不同的子陣列的標(biāo)號。

具體實(shí)施方式

光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能系統(tǒng)：

光伏陣列受環(huán)境和氣候影響較大，其發(fā)電量變化是一個非平穩(wěn)的隨機(jī)過程，而且在夜間或陰雨天氣，由于光照不足，無法提供足夠的電能，所以光伏儲能成為了光伏發(fā)電過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。儲能系統(tǒng)的作用主要是實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)、配合新能源接入、彌補(bǔ)線損、功率補(bǔ)償、提高電能質(zhì)量、孤網(wǎng)運(yùn)行、削峰填谷等幾大功能。比如：削峰填谷，改善電網(wǎng)運(yùn)行曲線，就是把用電低谷期富余的電能儲存起來，在用電高峰時再拿出來用，這樣就減少了電能的浪費(fèi)。此外儲能系統(tǒng)還能減少線損，增加線路和設(shè)備使用壽命。圖1為獨(dú)立式光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)，主要由光伏陣列、光伏充放電控制器、蓄電池組、離網(wǎng)逆變器、交/直流負(fù)載組成。光伏充放電控制器的作用是控制蓄電池的充、放電，并保護(hù)蓄電池過度充、放電；離網(wǎng)逆變器的作用是把直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能，并提供給負(fù)載使用。

電能存儲方式有很多種，除了常見的鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鋰電池等電化學(xué)儲能外，還有超級電容器、電抗器、動態(tài)存儲(飛輪)、勢能存儲(抽水儲能系統(tǒng))、電解作用(燃料電池)等多種方式。使用最廣泛的還是鉛酸蓄電池儲能，其主要部件由正負(fù)極板、電解液、隔板和電池槽組成。儲能的基本原理就是充電時將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲存起來，放電時蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來供負(fù)載使用。當(dāng)鉛酸蓄電池充電時，正負(fù)兩極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，充電完成后，正極的物質(zhì)為二氧化鉛，負(fù)極的物質(zhì)是海綿狀的鉛，放電后兩極都發(fā)生反應(yīng)形成硫酸鉛，再次充電后又從硫酸鉛恢復(fù)到原來的物質(zhì)，如此循環(huán)。最大功率儲能的基本控制思想就是在充電過程中，不斷檢測蓄電池電流，并通過調(diào)整PWM占空比讓光伏陣列提供的充電電流不大于最大允許充電電流。蓄電池的充電電壓水平取決于蓄電池充電電流大小和蓄電池充電階段，通過不斷檢測蓄電池的電壓，一旦進(jìn)入過充狀態(tài)，即減小最大充電電流，此后，蓄電池一直保持小電流充電來補(bǔ)償蓄電池自身放電電流的損失。當(dāng)檢測到放電發(fā)生時，控制器重新允許以最大電流對蓄電池進(jìn)行充電。

然而，當(dāng)光伏陣列受到物體遮擋形成局部陰影時，輸出特性會發(fā)生很大變化，尤其是P-V特性曲線會產(chǎn)生多個功率峰值，可能會對后級MPPT控制產(chǎn)生干擾，使系統(tǒng)工作偏離最大功率點(diǎn)。局部陰影的產(chǎn)生還會對光伏儲能造成一些消極影響，輸出功率的下降會導(dǎo)致儲能電池能量密度下降，充放電周期變長，造成一定的電能浪費(fèi)。而且，局部陰影會使陣列輸出電壓波動變大，影響蓄電池過充過放電檢測，長期下去會縮短蓄電池壽命。考慮到局部陰影問題，需要對光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能進(jìn)行優(yōu)化，而影響儲能優(yōu)化的難點(diǎn)，就在于局部陰影下光伏陣列輸出特性的隨機(jī)性與復(fù)雜性，不容易跟蹤到系統(tǒng)工作最大功率點(diǎn)且輸出穩(wěn)定性較差。因此，需要對局部陰影條件下的光伏陣列進(jìn)行建模與仿真，并分析其輸出特性，為光伏發(fā)電傳輸最大功率儲能優(yōu)化提供依據(jù)。

局部陰影條件下光伏陣列建模方法：

3.1光伏電池理論模型

圖2為光伏電池等效電路，由圖可得出光伏電池的輸出電流為：

其中，

I：光伏電池輸出電流；

I_ph：光生電流；

I_D：二極管電流；

I_sh：流經(jīng)等效并聯(lián)電阻R_sh的電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

S：光照強(qiáng)度；

C_t：溫度系數(shù)；

T：光伏電池溫度；

T_ref：參考溫度(25℃)；

I_o：反向飽和電流；

q：電荷常數(shù)(1.6×10^-19C)；

V：光伏電池輸出電壓；

R_s：等效串聯(lián)電阻；

A：二極管理想因子；

K：玻爾茲曼常量(1.38×10^-23J/K)；

R_sh：等效并聯(lián)電阻。

式(1)就是光伏電池理論模型。該模型比較準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于光伏電池的理論分析中，但是由于其中的參數(shù)I_ph，I_o，A，R_s，R_sh難以定量，不是廠家提供的數(shù)據(jù)，而且方程為含有I的超越方程，所以不方便應(yīng)用于實(shí)際工程分析中。

3.2光伏電池工程模型

實(shí)際應(yīng)用中，光伏電池生產(chǎn)廠家會為用戶提供產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的開路電壓V_oc，短路電流I_sc，最大功率點(diǎn)電壓V_m和最大功率點(diǎn)電流I_m。為了建立光伏電池工程模型，需要在理論模型的基礎(chǔ)上做兩個近似處理^[6]：

1)實(shí)際的光伏電池串聯(lián)電阻R_s非常小而并聯(lián)電阻R_sh非常大，所以可以忽略(V+IR_s)/R_sh項；

2)通常情況下串聯(lián)電阻R_s遠(yuǎn)小于二極管的正向?qū)娮?，所以可以假設(shè)I_sc＝I_ph。

基于以上處理，光伏電池的伏安特性方程可以化簡為：

I＝I_sc-C₁I_sc[exp(V/C₂V_oc)-1] (2)

最大功率點(diǎn)時，

exp(V_m/C₂V_oc)-1≈exp(V_m/C₂V_oc)

可解C₁，C₂，得：

C₁＝(1-I_m/I_sc)exp(-V_m/C₂V_oc) (3)

C₂＝(V_m/V_oc-1)[ln(1-I_m/I_sc)]^-1 (4)

I：光伏電池輸出電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

C₁：見式(3)；

V：光伏電池輸出電壓；

C₂：見式(4)；

V_oc：光伏電池開路電壓。

I_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

V_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電壓；

V_oc：光伏電池開路電壓。

當(dāng)電池溫度和光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，只需根據(jù)以下公式重新計算I_sc、V_oc、I_m、V_m等參數(shù)，就可以得到光伏電池在新條件下的伏安特性曲線。

ΔT＝T-T_ref (5)

V'_oc＝V_oc(1-cΔT)ln(1+bΔS) (8)

V_m'＝V_m(1-cΔT)ln(1+bΔS) (10)

其中，T_ref取25℃，S_ref取1000W/m²，a、b、c都為補(bǔ)償系數(shù)，其典型值推薦為^[12-13]：a＝0.0025/℃，b＝0.5，c＝0.00288/℃。當(dāng)環(huán)境溫度為T_e時，光伏電池溫度為：

T＝T_e+KS (11)

K綜合大量實(shí)驗數(shù)據(jù)取為0.03℃m²/W。

ΔT：光伏電池溫度變化量；

T：光伏電池溫度；

T_ref：參考溫度(25℃)。

ΔS：光照強(qiáng)度變化量；

S：光照強(qiáng)度；

S_ref：參考光照強(qiáng)度(1000W/m²)。

I'_sc：新條件下光伏電池短路電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

a：補(bǔ)償系數(shù)(a＝0.0025/℃)；

S：光照強(qiáng)度；

S_ref：參考光照強(qiáng)度(1000W/m²)。

V'_oc：新條件下光伏電池開路電壓；

V_oc：光伏電池開路電壓；

c：補(bǔ)償系數(shù)(c＝0.00288/℃)；

b：補(bǔ)償系數(shù)(b＝0.5)；

I'_m：新條件下光伏電池最大功率點(diǎn)電流；

I_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電流；

V'_m：新條件下光伏電池最大功率點(diǎn)電壓；

V_m：光伏電池最大功率點(diǎn)電壓；

T_e：環(huán)境溫度；

K：系數(shù)(0.03℃m²/W)；

工程模型建立了標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)與輸出特性之間的聯(lián)系，適合計算功率和建模仿真，在實(shí)際工程中有廣泛的應(yīng)用。利用MATLAB/Simulink建模仿真。選用無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：V_oc＝43.3V，I_sc＝4.72A，V_m＝34.5V，I_m＝4.35A，溫度設(shè)為25℃，仿真得到光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的輸出特性如圖3、圖4所示：

3.3局部陰影條件下光伏陣列數(shù)學(xué)模型

實(shí)際應(yīng)用中為了得到足夠大的輸出電壓，需要將單體光伏電池通過串并聯(lián)的方式組合成大型光伏陣列^[14]。假設(shè)光伏陣列并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量為N_p，每個電池串上串聯(lián)的單體光伏電池數(shù)量為N_s，則該光伏陣列的數(shù)學(xué)模型可以用如下方程描述：

I_a＝I_scN_p{1-C₁[exp(V_a/C₂N_sV_oc)-1]} (12)

I_a：光伏陣列輸出電流；

I_sc：光伏電池短路電流；

N_p：光伏陣列并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量；

C₁：同式(3)；

V_a：光伏陣列輸出電壓；

C₂：同式(4)；

N_s：電池串上串聯(lián)的光伏電池數(shù)量；

V_oc：光伏電池開路電壓。

但是當(dāng)光伏陣列的部分模塊因為遮擋而形成局部陰影時，方程(12)的數(shù)學(xué)模型就不再適用了。

要建立光伏陣列在局部陰影條件下的數(shù)學(xué)模型，首先建立單串陣列的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)一個單串光伏陣列由N_s1個無陰影遮擋的光伏電池和N_s2個有陰影遮擋的光伏電池串聯(lián)組成，I_sc1和I_sc2分別為無陰影和有陰影時光伏電池的短路電流。為了防止熱斑效應(yīng)，每一個光伏電池都要并聯(lián)旁路二極管。當(dāng)陣列輸出電流I>I_sc2時，大于I_sc2的電流從有陰影的光伏電池并聯(lián)的旁路二極管流過，此時只有無陰影的光伏電池對外輸出功率，有陰影的光伏電池及其旁路二極管都成為消耗功率的負(fù)載，這時的伏安特性為無陰影電池的伏安特性。當(dāng)I≤I_sc2時，對應(yīng)的旁路二極管形成反向偏壓，這時的伏安特性為有陰影電池的伏安特性，有陰影的光伏電池處于最大功率點(diǎn)。基于以上分析，單串陣列的數(shù)學(xué)模型可以由如下的分段函數(shù)表示：

I：單串陣列輸出電流；

I_sc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的短路電流；

C₁：同式(3)；

V：單串陣列輸出電壓；

C₂：同式(4)；

N_s1個單串陣列中無陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc1：單串陣列中無陰影遮擋子串的開路電壓；

I_sc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的短路電流；

N_s2個單串陣列中有陰影遮擋的光伏電池數(shù)量；

V_oc2：單串陣列中有陰影遮擋子串的開路電壓。

為了驗證所建模型的準(zhǔn)確性，通過實(shí)驗測量得到的數(shù)據(jù)與模型仿真得到的曲線進(jìn)行比較。選取一塊光伏電池板，通過對其表面進(jìn)行不同面積的遮擋，來表示局部陰影條件下的單串陣列。實(shí)驗依然選用無錫尚德公司的STP150S-24/Ac型太陽能電池板，在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，其參數(shù)為：V_oc＝43.3V，I_sc＝4.72A，V_m＝34.5V，I_m＝4.35A。測試條件為：光照強(qiáng)度728W/m²，溫度18℃；遮擋模式為：電池板1/3面積不遮擋，1/3面積經(jīng)遮擋光照強(qiáng)度為205W/m²，1/3面積經(jīng)遮擋光照強(qiáng)度為70W/m²。圖5、圖6為其輸出特性對比。

從圖中可以看出，實(shí)驗數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻地分布在仿真曲線兩側(cè)，變化趨勢、峰值和拐點(diǎn)位置與仿真曲線接近，誤差在工程允許范圍之內(nèi)，證明所建模型基本能夠反映局部陰影條件下單串陣列的輸出特性。

局部陰影條件下的光伏陣列是由若干塊遮擋模式不相同的子陣列并聯(lián)組成，每一塊子陣列都是由若干條遮擋模式相同的單串陣列并聯(lián)組成，每一條單串陣列都是由若干種光照強(qiáng)度不同的子串串聯(lián)組成?；谶@種結(jié)構(gòu)，光伏陣列的輸出電流為各個支路電流之和，光伏陣列的輸出電壓因并聯(lián)通常取各支路電壓的最大值，而且每條支路需要接一個阻塞二極管，防止電壓較小的支路有逆向電流流過。綜上所述，可以得出任意陰影情況下光伏陣列的輸出特性如下：

V_a＝max{V_x}

I_a：光伏陣列輸出電流；

N_p：光伏陣列并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量；

I_x：式(13)所求的單串陣列的輸出電流；

V_a：光伏陣列輸出電壓；

V_x：式(13)所求的單串陣列的輸出電壓。

式(14)即為局部陰影條件下光伏陣列的數(shù)學(xué)模型。

4局部陰影條件下光伏陣列輸出特性仿真分析

根據(jù)式(13)可以得出局部陰影下單串陣列的輸出電流I_x和輸出電壓V_x，再根據(jù)式(14)可以得出局部陰影下光伏陣列的輸出電流I_a和輸出電壓V_a，由此可以建立大型光伏陣列的仿真模型。利用MATLAB語言編寫仿真程序，可以仿真任意局部陰影遮擋下光伏陣列的輸出特性。圖7為局部陰影下光伏陣列建模流程圖，其中，i為子串下標(biāo)，j為子陣列下標(biāo)，G為記錄組成光伏陣列的子陣列數(shù)量的矩陣，C為記錄組成單串陣列的子串?dāng)?shù)量的矩陣，k為記錄子串中串聯(lián)光伏電池板數(shù)量的矩陣。

4.1單串陣列特性仿真

為了研究局部陰影條件下單串陣列的輸出特性，先引入遮光因子的概念：

E：遮光因子；

E_sh：陰影條件下的光照強(qiáng)度；

E_ref：參考光照強(qiáng)度(1000W/m²)。

可以看出，遮光因子的取值范圍介于0～1之間。

選取一系列單串陣列進(jìn)行仿真分析，串聯(lián)電池板數(shù)N_s＝10，并聯(lián)電池串?dāng)?shù)N_p＝1，其中子串N_s1～N_s5的光照強(qiáng)度分別為1000、800、500、300和100W/m²，具體遮擋模式如表1所示：

表1 仿真用單串陣列的遮擋模式

表1中：

P1～P7：仿真用的7條單串陣列的標(biāo)號；

N_s1～N_s5：單串陣列分別在5種光照強(qiáng)度下串聯(lián)的光伏電池數(shù)量。

仿真采用與實(shí)驗相同的電池板，溫度為25℃。仿真結(jié)果如圖8～圖11所示；

結(jié)合表1和圖8、圖9可以看出，P1存在5種不同的光照強(qiáng)度，其I-U特性呈5個階梯形狀，P-U特性存在5個峰值；P2存在4種不同的光照強(qiáng)度，其I-U特性呈4個階梯形狀，P-U特性存在4個峰值；P3和P6都呈現(xiàn)這樣的規(guī)律。從圖10、圖11的P7可以看出，光照均勻時，單串陣列的I-U特性呈膝形，P-U特性呈單峰性。再對比P2和P3或者P6和P7，當(dāng)單串陣列或其中一段因為陰影遮擋而多出一種光照強(qiáng)度時，陰影部分的輸出特性會有一段下降的過程，即輸出功率降低，從而導(dǎo)致I-U特性多出一個階梯形狀，P-U特性多出一個局部峰值。由此可以得出結(jié)論：單串陣列上存在幾種光照強(qiáng)度，其I-U特性就呈幾個階梯形狀，P-U特性就會產(chǎn)生幾個峰值。

從圖11可以看出：P4、P5、P6都存在兩種不相同的光照強(qiáng)度，陰影部分E＝0.5，其P-U特性呈現(xiàn)兩個峰值，且兩個峰值的位置和大小受被遮擋電池板數(shù)量的影響。若N_s3>E×N_s，P-U特性的最大值位于右側(cè)，即被遮擋部分的電池板處于最大功率點(diǎn)，如圖11中的P4所示；若N_s3<E×N_s，P-U特性的最大值位于左側(cè)，即無遮擋部分的電池板處于最大功率點(diǎn)，如圖11中P6所示；若N_s3＝E×N_s，兩部分的最大功率幾乎相等，如圖11中P5所示。隨著陰影面積越大，功率損失就越大，損失的功率與遮光因子成非線性關(guān)系。

4.2多串陣列特性仿真

在單串陣列特性仿真研究的基礎(chǔ)上，選取一個由3種子陣列并聯(lián)構(gòu)成的{10×100}的多串光伏陣列進(jìn)行仿真分析，如圖12所示。

電池參數(shù)不變，遮光因子E＝0.2，溫度為25℃，仿真結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖12中一共并聯(lián)著3種子陣列，其I-U特性呈3個階梯形狀，P-U特性有3個峰值。改變子陣列G2的光照強(qiáng)度和遮擋模式，如圖13所示，再對其仿真，仿真結(jié)果如圖16、圖17所示：

圖13中依然存在3種子陣列，但是其I-U特性呈4個階梯形狀，P-U特性有4個峰值?？梢姡植筷幱皸l件下多串光伏陣列的輸出特性與子陣列的數(shù)量并沒有直接聯(lián)系，其輸出特性由子陣列數(shù)量、光照強(qiáng)度和遮擋模式等因素共同決定。

4.3陰影數(shù)量確定時陰影分布對輸出特性的影響

當(dāng)陰影數(shù)量相同時，其不同的分布也會對光伏陣列的輸出特性產(chǎn)生影響。選取4個8×8的光伏陣列，他們被陰影遮擋的電池板數(shù)量都為6塊，但分布不同，其中子陣列G1有陰影遮擋，子陣列G2無陰影，具體分布情況如表2所示：

表2 陰影數(shù)量相同的4個8×8陣列遮擋模式

表2中：

G1、G2：子陣列標(biāo)號；

N_s：串聯(lián)的光伏電池數(shù)量；

N_p：并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量；

N_s1：無陰影遮擋的串聯(lián)光伏電池數(shù)量；

N_s2：有陰影遮擋的串聯(lián)光伏電池數(shù)量；

A1～A4：光伏陣列標(biāo)號。

電池參數(shù)不變，正常光照強(qiáng)度為1000W/m²，陰影部分光照強(qiáng)度為200W/m²，即遮光因子E＝0.2，溫度為25℃，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到4條P-U特性曲線如圖18所示：

從圖18可以看出，當(dāng)陰影部分的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)相差較大時，光伏陣列輸出功率較大，如圖18中A1和A4的輸出功率比A2和A3的大。當(dāng)陰影部分的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)之差相等時，光伏陣列輸出功率相差不是很明顯，如圖18中A1和A4或A2和A3。可見，同樣的陰影數(shù)量，分布不同，輸出特性也有很大差別，方塊狀分布的陰影比細(xì)條狀分布的陰影對光伏陣列影響更大。

4.4陰影確定時陣列格局對輸出特性的影響

當(dāng)陰影的位置和形狀已經(jīng)確定時，不同陣列格局的輸出特性也不相同。如表3所示，選擇900塊光伏電池組成五種排列方式不同的光伏陣列Q1～Q5，每種排列方式都包含G1～G3三種子陣列，其中G1和G2子陣列存在陰影遮擋，陰影遮擋的電池板數(shù)N_s2和并聯(lián)數(shù)N_p都是相同的，所以陰影的位置和形狀是確定的。電池參數(shù)不變，遮光因子E＝0.2，溫度為25℃，對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，得到5條P-U特性曲線如圖19所示。

表3 陰影確定時不同陣列格局排列方式

表3中：

G1～G3：子陣列標(biāo)號；

N_s：串聯(lián)的光伏電池數(shù)量；

N_p：并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量；

N_s1：無陰影遮擋的串聯(lián)光伏電池數(shù)量；

N_s2：有陰影遮擋的串聯(lián)光伏電池數(shù)量；

Q1～Q5：光伏陣列標(biāo)號。

從圖19可以看出，當(dāng)陣列格局的串聯(lián)數(shù)大于并聯(lián)數(shù)時，串聯(lián)數(shù)越大的陣列，輸出功率越高，如圖19中的Q1和Q2；當(dāng)陣列格局的并聯(lián)數(shù)大于串聯(lián)數(shù)時，并聯(lián)數(shù)越大的陣列，輸出功率越高，如圖19中的Q4和Q5。增大串聯(lián)數(shù)或者并聯(lián)數(shù)，都是為了增大輸出電壓或者輸出電流，以提高輸出功率，但是從圖19中可以看出，陣列格局不同時，光伏陣列的工作電壓范圍也有很大的區(qū)別，串聯(lián)數(shù)越多，陣列工作電壓范圍就越寬，并聯(lián)數(shù)越多，陣列工作電壓范圍就越窄，這樣就對控制器提出了很高的要求，需要控制器有很寬的工作范圍，以滿足各種陣列排列的需要，否則，可能會影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用中，在能確定出或者能預(yù)估出陰影的位置和形狀時，應(yīng)該對不同的陣列格局進(jìn)行仿真篩選，選擇最優(yōu)排列方式，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。