阴影遮挡下的光伏组件特性分析

阳光电源股份有限公司 ■ 陶磊 王艾 孙龙林 汪晶晶

0 引言

近年来，由于国际能源危机越来越严峻，太阳能、风能等清洁能源因其具有分布广泛、无污染、使用方便等优点，受到各国政府的普遍认同[1-4]，各种规模的光伏电站、风力电站也应运而生。然而，光伏发电在发展过程中也遇到了许多问题，比如阴影遮挡、光伏组件PID效应、失配等[5-7]。其中阴影遮挡对光伏组件功率输出的影响更是亟待解决。光伏组件的输出特性对光伏组件的功率输出非常重要，会影响到光伏逆变器能否搜索到真正的最大功率点[8-12]。现有的论文大多通过构建模型(包括工程模型)来得到不同光照和温度条件下光伏组件的输出特性，或通过设定一些条件来改变光伏组件的输出特性，进而研究光伏组件的功率搜索问题。本文在一般工程用光伏组件模型的基础上，结合现场光伏电站的排布方式，分析现场几种较为常见的排布方式，并分析光伏阵列在阴影遮挡情况下的输出特性。

1 光伏电站现场光伏阵列排布情况

1.1 光伏阵列的第一种常见排列方式

光伏阵列的第一种排列方式如图1所示。其中，20～22块组件为一排，两列由一个支架搭建。

图1 光伏阵列的第一种排列方式

光伏阵列的第一种排列方式的遮挡示意图如图2所示，该遮挡方式为纵向遮挡。

图2 光伏阵列的第一种排列方式遮挡示意图

1.2 光伏阵列的第二种常见排列方式

光伏阵列第二种排列方式如图3所示。相邻两列的组件串联，到中间10块组件串联后为1串，相邻2串再并联。

图3 光伏阵列的第二种排列方式

光伏阵列的第二种排列方式的遮挡示意图如图4所示。

图4 光伏阵列的第二种排列方式遮挡示意图

与第二种排列方式相比，第一种排列方式更多被现场光伏电站所采用。因此，本文主要研究第一种排列方式及其在阴影遮挡时的输出特性。

2 常见遮挡情况下光伏阵列的工程模型

单块光伏组件由60个电池单体串联而成，每20个电池单体反并联一个旁路二极管，其示意图如图5所示。对于单块光伏组件来说，纵向遮挡时，该电池组件的所有遮挡和未遮挡的单体输出特性相同，不同遮挡面积时的输出特性见图6。

图5 单块光伏组件结构示意图

图6 单块光伏组件纵向遮挡示意图

在遮挡强度和面积一定时，组件输出特性为单峰，即各单体的输出特性相同。因此，以单块组件为最小单元。

选择光伏组件工程模型作为研究对象，其表达式如式(1)所示[4,7]：

式中，I为单块光伏组件的输出电流；Isc为单块光伏组件的短路电流；Voc为单块光伏组件的开路电压；Vmpp、Impp分别为单块光伏组件最大功率点处的电压和电流。

设光伏组串string中共有N块光伏组件，以单块组件为最小单元，则该string共有N个单元。假定被遮挡的单元有M个，且该M个遮挡单元的遮挡程度和组件温度相同，同时未遮挡单元的光照强度和温度也相同，则M个遮挡单元的工作状态完全相同，N–M个未遮挡单元工作状态也完全相同。

若无旁路二极管，则遮挡后该string上的总输入电压Vs在各单元上的电压分配结果是使得流过N个串联单元的电流大小相等。根据这一特性对遮阴下被遮挡单元的端电压进行求解，可证明旁路二极管接入的必要性，同时确定旁路二极管参与工作的电压区间。

假定string两端所加电压为Vs，且N≠M。由前面的分析可知，M个遮挡单元的端电压均相等，假定为Vx，则N–M个未遮阴单元的端电压也相等，为 (Vs-M×Vx)/(N–M)。

遮挡单元的输出电流为：

式中，I1为被遮挡单元的输出电流；Isc1为单块被遮挡单元的短路电流。

未遮挡单元的输出电流为：

式中，I2为未遮挡单元的输出电流；Isc2为单块未遮挡单元的短路电流。

根据串联电流相等可得：

化简式(4)得：

令：

则式(4)可进一步化简为：

图7 旁路二极管动作临界点求解示意图

3 纵向遮挡下电池板特性分析

如图7所示，对于任意string电压Vs，由点(Vs，g(Vs))向曲线f(V)做平行于水平轴的直线，直线与f(V)的交点对应的横坐标Vx即为对应组串被遮挡单元稳态时的端电压。假定string两端电压为Vs0时，对应的稳态时遮挡单元两端电压为0(不计旁路二极管导通形成的负压降)。则由图7可见，当组串电压小于Vs0时(如图中Vs1)，稳态时被遮挡单元两端的电压为负，即从其余光伏组件吸收能量，从而引发热斑效应。

为了防止被遮挡单元持续发热，增加的旁路二极管可在Vs＜Vs0时，旁路被遮挡单元；当Vs＞Vs0时，被遮挡单元两端电压大于0，旁路二极管退出工作，被遮挡单元与未被遮挡单元一起输出能量。

为求得二极管动作电压的临界值，令Vx=0，由式(7)得：

由式(8)得被遮挡单元的二极管动作电压临界值为：

下面分析Vs0随遮挡单元数及遮挡后光照强度的变化规律。

标准测试条件(STC)及实际工况下光伏组件和遮挡光伏组件(被遮挡面积为1/4)的参数如表1所示。

表1 光伏组件参数

首先以两块光伏组件为例，遮挡其中一块组件，即N=2、M=1。遮挡和未遮挡单元的光照强度如表1所示，计算得相关参数如表2所示(下标1为被遮挡的单元，2为未被遮挡单元)；再将表2计算结果代入式(9)，可算得旁路二极管动作点对应电压Vs0=32.7598 V。对该遮挡情况进行仿真，得遮挡后I-V曲线如图8所示。

由图8可见，两块组件串联，当其中一块被纵向遮挡时，I-V特性分为两部分。当电压低于Vs0时，被遮挡单元被旁路二极管旁路，光伏组串的工作情况为1个未遮挡组件与3个旁路二极管串联工作，故此时的I-V特性近似等效为1个组件的I-V特性(忽略旁路二极管压降)；当电压大于Vs0时，被遮挡单元不再承受负压，旁路二极管退出工作，因为串联关系，此时光伏组串总的输出电流被遮挡单元的电流拉低，此时I-V曲线主要由遮挡单元的I-V曲线决定。

表2 参数计算

图8 两块光伏组件纵向遮挡仿真I-V曲线

图9为其P-V特性。在Vs0左侧总的输出特性近似为未被遮挡组件的输出特性，功率偏差是由旁路二极管上的压降引起的功率损耗。因此组串总输出曲线左侧的MPP点与未被遮挡组件的MPP点接近，且在Vs0左侧。如图9所示，在该情况下，左侧的MPP点即为整个组串的最大功率点。当电压大于Vs0后，被遮挡组件开始输出功率，此时由于串联，电流被遮挡单元拉低，因此，未遮挡单元的输出功率也被拉低，并在Vs0右侧也会形成一个MPP点。

图9 两块电池板纵向遮挡仿真P-V曲线

图10 实验情况

图11 实验波形

为验证上述仿真的有效性，进行了如图10所示的两块光伏组件串联；其中一块纵向遮挡的实验，实验波形如图11所示。

由实验波形可见，两块光伏组件串联，其中一块组件纵向遮挡时，整体输出P-V曲线呈双峰特性，与仿真波形一致。

如前所述，在串联组串中，若有被纵向遮挡的组件(遮挡特性相同)，组串的输出特性将出现双峰，在遮挡单元旁路二极管动作时，组串总的输出特性近似为未被遮挡组件的输出特性。当电压高于Vs0时，被遮挡组件的旁路二极管不再动作，此时组串的总输出电流被遮挡单元的输出电流箝位。由于两个MPP点分别位于Vs0的左、右两侧，因此确定Vs0的位置对于确定MPP点电压位置有很大帮助。故接下来分析遮挡单元数及遮挡后的光照强度与该电压点之间的关系。

首先固定遮挡前后光伏组串上的光照强度，如表1所示，改变被遮挡的单元数，则可得旁路二极管动作电压临界值对应string端电压Vs0随遮挡单元数的变化情况，如图12所示。可见Vs0随被遮挡单元的增加而减小。图12a同时给出了遮挡后最大功率点电压Vmpp，New曲线和无遮挡情况下的原MPP电压Vmpp，Org曲线。可见，一开始在此遮挡强度下，Vs0始终高于Vmpp，New，即此时全局最大功率点在转折点电压Vs0左侧；当被遮挡单元数增加到一定值时，Vmpp，New发生突变，且大于转折点电压Vs0，此时全局最大功率点在转折点电压右侧。

图13给出了不同遮挡单元数下，改变被遮挡单元的辐照度时，Vs0的变化情况。该组串总的光伏组件个数为22个，其中图13a、13b、13c、13d的被遮挡单元分别为3、6、9、16个，可见Vs0随被遮挡单元辐照度的增强而减小。为了便于对比，图中给出了遮挡后组串的最大功率点Vmpp，New和原未遮挡时的最大功率点Vmpp，Org的波形。由图可见，当被遮挡单元辐照度相对未遮挡单元辐照度较小时，Vs0始终大于Vmpp，New，此时最大功率点在Vs0左侧；当被遮挡单元辐照度和未遮挡单元辐照度接近时，Vs0低于Vmpp，New，即此时真正的最大功率点可能出现在Vs0的右侧，且最大功率值相对未遮挡下的减小值也将较小。

图13 不同辐照度对Vs0的影响

4 结论

本文在分析现场光伏电站光伏组件排列方式的基础上，分析了其中一种最为常见排列方式的光伏组件在遮挡情况下的输出特性。通过仿真给出了光伏组串在遮挡下输出的最大功率点电压与串联光伏组件的关系，及多峰时转折点电压与光照强度变化的关系，得到最大功率点电压和转折点电压的特性，有助于光伏逆变器准确和快速的搜索到最大功率点。

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