局部光照条件下光伏阵列优化设计

霍富强， 陈娜娜， 程　勇， 王国军(许继集团有限公司，河南许昌461000)

局部光照条件下光伏阵列优化设计

霍富强， 陈娜娜， 程勇， 王国军
(许继集团有限公司，河南许昌461000)

由于光伏发电系统所处环境的复杂化，无法保证光伏阵列不被遮挡而产生局部光照。局部光照导致光伏阵列输出功率下降、组串功率特性复杂化及常规最大功率追踪效果不佳。提出了优化光伏阵列结构的方法，使各组串输出功率最大，提高阵列输出功率。分析了优化光伏阵列结构的方法和模糊自适应控制方法，仿真结果表明：优化光伏阵列结构，使光伏阵列各组串输出功率最大，提高了光伏阵列的输出功率。该方法为光伏发电系统工程设计提供了借鉴。

局部光照；光伏阵列；优化设计；模糊自适应

太阳能是一种绿色环保能源，利用太阳能发电的光伏发电技术发展迅猛。随着光伏发电系统建设环境复杂化(建筑物密集、污垢严重和光伏阵列美观要求等)，无法保证光伏阵列不被遮挡而产生局部光照。局部光照造成光伏阵列受光不均，极易导致阵列输出功率损失和阵列失配及热斑效应等问题[1-2]。因此，研究局部光照条件下光伏阵列输出特性和结构具有重要的实际意义。

局部光照对光伏阵列输出特性影响很大，尤其使阵列功率-电压(P-V)特性由单峰曲线变为多峰曲线，造成全局峰值功率损失和局部峰值对功率控制干扰。目前减弱局部光照对光伏阵列影响的方法主要是将集中式发电系统改为组串式发电系统和优化最大功率跟踪算法[3-4]，一定程度上提高了光伏发电系统功率，但并不能保证光伏阵列各组串输出功率最大。本文提出了优化光伏阵列结构的方法，提高各阵列各组串输出功率，最大限度提高阵列输出功率，并通过仿真分析论证了该方法的正确性。该方法对提高光伏发电运行效率和减弱热

1 局部光照条件下光伏阵列特性分析

1.1光伏阵列结构类型

图1　光伏阵列结构示意图

光伏阵列是串并联光伏组件的组合；阵列结构主要有串联、并联、串并联(SP)和TCT(total cross-tied)[5-6]等类型，如图1所示。串联阵列中各组件电流相等，受光不均的组件变为负载消耗阵列产生的电能，降低阵列输出功率，阵列对光照强度较为敏感。并联阵列中各组件电压相等，受光不均组件不影响其他组件正常工作，阵列对光照强度不敏感。串并联阵列集合了串联和并联阵列优点，阵列对光照强度较为敏感。TCT阵列中流经各节点的电压和电流之和相等，阵列对光照敏感较弱但阵列结构较为复杂。串并联阵列结构简单、易于实现、应用广泛且具有一定代表性，本文选用串并联光伏阵列结构进行优化设计。

1.2局部光照条件下光伏阵列特性

串并联阵列如图1(c)所示，阵列由P1、P2和P3光伏组串组成，每个组串由4个光伏组件串联组成。假设PV23组件处于局部光照，PV23组件工作电压和短路电流Isc降低；若负载较小，各组件正常发电，都能输出功率，旁路二极管不起作用；若负载较大，I＆gt;Isc23且I＆lt;Isc21，I＆lt;Isc22，I＆lt;Isc24，组件PV21、PV22、PV24正常发电，组件PV23以热量形式消耗阵列功率，旁路二极管D23导通，如图1(c)虚框部分，此时PV23承受反压，V23＆lt;0；若负载继续增大，PV23消耗更多功率，热量积累到一定程度出现热斑效应甚至破坏组件，影响阵列正常安全。

均匀光照时阵列电流-电压(I-V)和P-V特性曲线如图2 的curve1所示，P-V曲线为单峰曲线，具有唯一最大峰值；受光不均组件的旁路二极管导通时阵列输出特性如图2的curve2所示，I-V曲线呈现阶梯状，P-V曲线具有唯一最大峰值但具有局部峰值，局部峰值极易干扰最大功率跟踪控制，导致阵列输出功率损失；受光不均组件旁路二极管未导通时，阵列输出特性如图2的curve3所示，P-V曲线为单峰曲线，受光不均组件消耗阵列功率，导致阵列输出功率损失。

图2　　局部光照条件下光伏阵列特性曲线

局部光照是一个复杂现象，局部光照程度不同光伏阵列输出特性不同，即使光伏组串并联，也不能保证每个光伏组串都工作在最大功率状态。研究表明[7]，局部光照条件时，优劣结构光伏阵列输出功率差别高达35％。为此，本文提出了优化光伏阵列结构的方法使光伏阵列各组串输出功率最大，整体提高光伏阵列输出功率。

2 光伏阵列结构优化方法

图3　优化光伏阵列结构的发电系统结构

图4　自适应模糊控制算法流程

在图1(c)中，串并联阵列由P1、P2和P3光伏组串并联构成。光伏阵列最大功率实质为并联光伏组串电压相等时功率之和的最大值。局部光照条件下，受光不均的光伏组串工作电压低于阵列电压即该组串输出功率并非最大，那么光伏阵列输出功率也并非最大。本文采用优化光伏阵列结构的方法，将Boost变流器串接于光伏组串，通过直流斩波使组串电压和阵列电压相等，使光伏组串工作在最大功率状态，整体提高光伏阵列输出功率[8]。

优化光伏阵列结构的发电系统结构如图3所示，主要包括光伏阵列、Boost变流器和逆变器及负载。控制器采用自适应模糊控制算法使组串电压逼近阵列电压，其基本原理是：控制器动态计算组串电压与阵列电压差值，并将该值局部线性化；根据局部线性模糊值和模糊规则，动态修正Boost变流器PWM波占空比D，使组串电压逐步逼近阵列电压，确保各光伏组串输出功率最大，进而提高光伏阵列输出功率；局部光照是一个复杂模糊现象，为提高控制器控制品质和对环境自适应能力，采用表格查询学习算法动态优化模糊规则，自适应最优模糊规则[9]。自适应模糊控制算法流程如图4所示，这种算法计算速度快，逼近精度高；能快速响应外界环境变化，减弱在理想电压处振荡；兼顾速度和精度。

利用Matlab对优化光伏阵列结构的发电系统进行验证，并结合传统阵列结构的发电系统分析。优化光伏阵列结构的发电系统结构如图3，光伏组件功率为30 W，Boost变流器频率2 kHz，标准光照强度1 000 W/m2，1.3 s时光照强度逐步变为700 W/m2，即PV23组件处于局部光照。局部光照条件下，优化和传统阵列结构光伏发电系统功率和受光不均组串电压仿真结果如图5和图6所示，由图可知，两种结构的稳态性能基本一致，优化结构的阵列输出功率在1.3 s后略有波动，1.7 s时趋于平稳，最终输出功率约345 W；传统结构阵列最终输出功率约310 W。总的来说，优化光伏阵列结构的发电系统，其动态和稳态性能满足要求，且功率提高约10％。

图5　优化光伏阵列结构的发电系统仿真

3 结论

本文研究了局部光照条件下光伏阵列输出特性，分析了功率损失原因，提出了优化光伏阵列结构的方法并进行仿真分析。仿真表明：局部阴影光照下，优化光伏阵列结构，将Boost变流器串接于光伏组串，各光伏组串输出功率最大，整体提高光伏阵列输出功率；与传统阵列结构的发电系统相比，输出功率明显提高。光伏阵列组串串接Boost变流器，设计简单，易于实现，对于串并联光伏阵列具有较好的适用性，对光伏系统的运行具有一定的参考价值。

图6　　传统光伏阵列结构的发电系统仿真

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Optimal design of photovoltaic arrays under partial illumination

HUO Fu-qiang,CHEN Na-na,CHENG Yong,WANG Guo-jun
(XJ Group Corporation,Xuchang Henan 461000,China)

As complexing of potential application areas of photovoltaic generation systems,photovoltaic array maybe be obscured to produce partial shading illumination.The partial illumination could decreased the output power of photovoltaic array,and the power characteristics of the photovoltaic array-string would be complicated,more over normal maximum power point tracking method was not very effective,so it needed a method that optimized the photovoltaic array configuration to improve power of the photovoltaic photovoltaic string under partial illumination,and eventually improved the array output power.The optimized method of the structure of photovoltaic array and the method of the fuzzy adaptive control were analyzed,that could improve power of the PV photovoltaic string.The simulation results show that the optimization of photovoltaic array structure can improve the photovoltaic array output power.The proposed design method provided strong support for the engineering design of photovoltaic systems.

partial illumination;photovoltaic array;optimal design;fuzzy adaptive

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0138-03

2015-06-05

霍富强(1984-)，男，河南省人，硕士，工程师，主要研究方向为光伏并网逆变器、电力系统及继电保护。斑效应具有重要的实际意义。