光伏发电运行失配机理及特性分析

刘建鑫

（水发集团四川河川投资有限公司，四川 成都 610032）

0 引言

随着电力系统相关技术的不断发展，越来越多的太阳能电池接入到电网中［1-2］，作为太阳能组件基础发电单元的太阳能电池，由于其安装位置、运行等容易受到地形、气候、天气等因素的影响，在实际应用中往往会因为阴雨天气、云层或者楼群建筑等遮挡造成辐照强度下降的问题。光伏发电系统主要拓扑结构为太阳能电池组串、并联，当其被这些现象干扰时，会大幅削弱模块的性能，使得太阳能电池发生功率失配的现象。这种不匹配问题会引发太阳能电池输出功率降低，而且当受辐照强度影响的电池串联正常的电池组一起运行后，会导致整个电路产生反电压，并造成太阳能组件局部过热的现象，从而导致整个太阳能电池无法正常工作，甚至造成热斑烧毁整个组件［3-7］。

很多学者对于太阳能电池功率失配问题进行过深入的研究，目前学者们对于太阳能电池功率失配问题主要通过优化旁路二极管的配置来解决。文献［8］首先通过研究不同辐照强度下太阳能组件的输出特性建立了描述太阳能电池输出特性的数学模型，通过研究传统的旁路二极管配置方式，在此基础上提出一种“层叠式”旁路二极管配置方法，最后利用不同辐照强度下的权重因子，对传统光伏失配问题方法进行改进。文献［9］利用MATLAB，将太阳能组件按照不同模块进行研究，在建立添加了旁路二极管太阳能电池的模型后，仿真分析不同辐照强度对太阳能电池性能的影响，设计了含非重叠旁路二极管配置算法，相较于传统的方法有了长足的改进。文献［10］提出了一种采用电压均衡器的部分遮阳补偿电路，并研究了其中阻塞二极管和旁路二极管对光伏串的影响。文献［11］将牛顿—拉夫逊非线性迭代算法引入到了太阳能电池失配计算中，以此方法为基础分析了添加配置旁路和阻断二极管在不同辐照强度下的太阳能模组的串、并联模型，之后采用了串联阻断二极管的方法来提高太阳能模组是运行特性，降低功率损失。文献［12］将串并联理论引入到太阳能组件输出特性分析中，具体分析了太阳能组件支路在出现局部辐照强度变化时的出力特性，采用串联电压源的太阳能组件优化方法，使得太阳能组件在辐照强度发生变化后仍能保持最大功率输出。文献［13］针对太阳能组件中并联电压失配导致系统整体输出功率下降的问题，提出一种基于DC/DC升压电路的解决方法及其优化措施。文献［14］指出，当阴影覆盖部分组件时，传统的二极管与太阳能电池串联或并联来补偿电压和电流的方式会减少光伏组件的出力。对于这一问题的出现，作者创新性地提出了一种以“门连接”方式的新的太阳能电池连接方式，并分析了3 种典型阴影情况下该方式的输出功率特性。文献［15］在给定的不同辐照强度模式场景下，未来尽可能地提高太阳能组件输出效率，通过分析太阳能组件旁路二极管的优化配置问题，得出了在太阳能组件中添加旁路二极管的最优数量。但以上优化配置方案多会出现功率-电压曲线包含多个局部最大峰值的现象，严重影响了最大功率跟踪技术（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。因此，需要对不同拓扑结构运行下的太阳能电池的功率失配问题进行研究，从而为进一步提高最大功率跟踪技术在太阳能组件失配情况下准确度提供理论支撑。

针对上述问题，采用串联太阳能电池加旁路二极管、并联太阳能电池加阻断二极管的方法，并通过仿真分析验证本文所提出方法可有效减少失配带来的功率损失。

1 太阳能电池建模

根据所得光伏组件数据，在标准测试条件（Standard Test Condition，STC）（辐照强度Sref=1 000 W/m2，电池温度Tref=25 ℃）下，测出的短路电流Isc为9.8 A，开路电压Uoc为43.2 V，最大功率点电流Im为9.02 A，最大功率点电压Um为34.4 V。查阅大量的参考文献并对其进行对比分析后，认为文献［3］中所运用的太阳能电池工程用数学模型较为适合本文所研究的光伏失配情况下的问题，等效的太阳能电池电路［16］如图1所示。

图1 太阳能电池的等效电路

如图1 所示，在考虑实际情况时可以忽略电容Cj，通过计算可以得到太阳能电池的I-U特性方程为

式中：IL为光电流；I0为反向饱和电流；q为电子电荷；K为玻尔兹曼常数；A为二极管因子；T为太阳能电池单元的绝对温度；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。

式（1）参数与电池温度和辐照强度有关，且测量难度较大，因此根据文献［17-18］的简化电路模型，对式（1）做简化处理，如式（2）所示，详细的数模模型推导可参考文献［17-18］。

式中：标准测试条件下短路电流Isc、峰值电流Im、峰值电压Um、开路电压Uoc可从产品数据手册查出，X1、X2为待定系数。

太阳能电池运行在不同的环境下，Isc、Uoc、Im和Um的变化规律有迹可循，因此若采用相对应的补偿方法可近似推算出任意辐照强度S和电池温度T下的参数［17］为

式中：Iscref为标准测试条件下短路电流；Uocref为标准测试条件下开路电压；Imref为标准测试条件下最大功率点电流；Umref为标准测试条件下最大功率点电压；ΔS=S-Sref，为太阳能电池实际运行时的辐照强度与设定的参考辐照强度的差值；ΔT=T-Tref，为实际太阳能电池的电池温度与标准参考电池温度的差值；e为自然对数的底数；a、b、c均为补偿系数，根据经验与大量实验数据拟合，a、b、c的取值［17］为a=0.002/℃、b=0.005 W/m2、c=0.002 88/℃。

在太阳能电池的运行环境中的辐照强度和温度发生变化时，根据式（3）可以获得太阳能电池在任意辐照强度和电池温度下的Isc、Uoc、Im和Um值，然后根据式（2）可以计算出在任意辐照强度场景下和太阳能电池温度下的太阳能电池输出特性。

2 太阳能电池功率特性

根据以上数学模型，在MATLAB 中建立太阳能电池模型，在标准温度条件下进行仿真分析，在此期间将太阳能电池运行时的辐照强度作为变量，最后可以得到太阳能电池在随辐照强度变化运行时的功率特性曲线，如图2所示。

图2 太阳能电池随辐照强度变化P-U特性曲线

由图2 可以看出，在标准温度条件下，在不同辐照强度下的太阳能电池工作的功率特性曲线有着接近一致的趋势，太阳能电池输出功率都是随着电压的增大先增大后减小，可以明显发现，每条功率特性曲线都有唯一极大值点，即其最大的功率点。与此同时，可以从图中看到当太阳能电池输出电压相同时，随着运行环境的辐照强度增大，太阳能电池输出的功率也会越来越大，相应的在这个过程中太阳能电池的最大功率点也越来越大。

3 串联太阳能电池失配机理及特性分析

由于太阳能电池在接收光能的过程中会受到天气、建筑遮挡等因素影响导致局部辐照强度降低，使得一个或多个太阳能电池的电流不匹配［19］，导致这些电池在模块中不再作为发电的动力源，而是作为负荷在太阳能组件模块中消耗其他辐照强度高的太阳能电池产生的电能，降低了太阳能组件的输出功率，这也使得太阳能模块的整体性能下降。

3.1 串联电池功率特性分析

太阳能组件中两个太阳能电池进行串联连接的等效电路如图3所示。

图3 两太阳能电池串联

当两太阳能电池运行在标准温度条件下，电池辐照强度均为Sref=1 000 W/m2（设为工况Ⅰ），利用MATLAB进行仿真，结果如图4所示。

图4 正常情况下串联太阳能电池P-U特性曲线

为了对串联太阳能电池失配时的输出功率特性进行分析，在同样为标准温度条件下，保持其中一个太阳能电池的辐照强度正常，为Sref=1 000 W/m2；模拟另一个太阳能电池在被遮蔽的条件下运行，即将其辐照强度下调为Sref=400 W/m2（设为工况Ⅱ）。利用MATLAB 仿真，得到串联太阳能电池P-U特性曲线如图5所示。

图5 失配情况下串联太阳能电池P-U特性曲线

通过对比图4 和图5 的串联太阳能电池失配前后的功率特性曲线可以发现，太阳能组件失配对于串联太阳能电池的功率输出有较为明显的影响。当太阳能电池在遮蔽情况下运行时，受阴影的影响，太阳能电池不再作为电源模块而是作为其负载，使整个太阳能组件的输出功率降低，因此正常模块的功率输出受到影响。太阳能电池的失配程度越大，功率损耗越大。

对长时间在辐照强度下降情况下运行的太阳能电池，由于辐照强度变弱，太阳能电池将产生多余热量，产生局部发热问题，严重的话可能烧毁太阳能电池，导致整个组件无法使用。

3.2 串联太阳能电池失配解决方法及特性分析

对于串联太阳能电池，添加旁路二极管，可以起到分流的作用，在发生失配情况时，失配的太阳能电池不再限制整个回路的电流，这在一定程度上可以减少失配带来的功率损失［20-21］。加旁路二极管的串联太阳能电池等效电路如图6所示。

图6 加旁路二极管串联电池电路

利用MATLAB 对工况Ⅱ下加旁路二极管的串联太阳能电池进行仿真，得到太阳能电池工作情况的功率特性曲线如图7所示。

图7 加旁路二极管后太阳能电池的P-U特性曲线

对比图5和图7可知，与不加旁路二极管的太阳能电池相比，加旁路二极管的太阳能电池P-U特性曲线无论是最大功率点还是最大功率都发生了较为明显变化，最大功率显著增大。而且图7 中串联功率值在大于拐点功率值之后，又出现一个功率峰值，形成双峰值功率特性曲线。这说明施加旁路二极管对于串联太阳能电池的失配问题是一种非常有效的解决方式，可以减少因太阳能电池失配而造成的功率损失。

4 并联太阳能电池失配机理及特性分析

两个单元的阴影强度不一致，导致两个电池单元在并联运行过程中形成电压差，即并联失配现象。根据基尔霍夫电路定律，光强度越高，电池末端的电压越高，电池末端受阴影影响的电压越低。因此，太阳能强度高的太阳能电池将电流反向送入阴影电池，最终形成一个循环电流，限制了太阳能组件的总输出。

4.1 并联电池功率特性分析

太阳能组件中两个太阳能电池并联的等效电路如图8所示。

图8 两太阳能电池并联

利用MATLAB 对工况Ⅰ下两并联太阳能电池进行仿真，结果如图9所示。

图9 正常情况下并联太阳能电池P-U特性曲线

利用MATLAB 对工况Ⅱ下两并联太阳能电池进行仿真，得到太阳能电池工作情况的功率特性曲线如图10所示。

图10 失配情况下并联太阳能电池P-U特性曲线

对比图9 和图10 可知，并联太阳能电池发生失配情况时，最大功率与正常情况下相比有非常大的削减，大大降低了其输出性能；运行在最大功率点的太阳能电池输出电压、电流同样发生了变化，如果此时太阳能电池还在原来的条件下工作，就会造成进一步的功率损失。功率曲线与坐标轴之间的面积远小于失配前的面积，说明在这种情况下太阳能电池的输出功率大大降低。

4.2 并联太阳能电池失配解决方法及特性分析

并联太阳能电池工作时，不同辐照强度会造成两并联电池电压不相同，需要对电压较低的太阳能电池进行补偿。将阻断二极管串联到每个支路中，使低辐照强度的太阳能电池的电压（低输出电压）得到补偿，其支路电压与强辐照强度（高输出电压）的支路电压相匹配，以解决电流循环的问题。加阻断二极管的并联太阳能电池等效电路如图11所示。

图11 加阻断二极管的并联太阳能电池电路

利用MATLAB 对工况Ⅱ下加阻断二极管的并联太阳能电池进行仿真，得到太阳能电池工作情况的功率特性曲线如图12所示。

图12 加阻断二极管后并联失配P-U特性曲线

对比图10和图12可知，当在并联太阳能电池加阻断二极管后，太阳能电池功率在出现拐点之后又有一段输出功率上升的特性曲线，最终会达到一个新的峰值，相较于并联太阳能电池失配情况下的功率特性曲线，形成了一个双峰值的功率特性曲线，电池组合整体的输出性能增加，说明并联太阳能电池加阻断二极管可以降低太阳能电池的失配程度，提高光伏发电在不同失配程度条件下的功率输出。

5 失配问题对MPPT的影响

太阳能电池存在输出时光电转换效率不理想的问题，并且受光强、温度等其他因素的干扰，输出不稳定。MPPT是以太阳能电池始终保持最大功率输出为目的，可以通过MPPT有效利用太阳能电池。

根据图2 显示，太阳能电池在某一温度和辐照强度下具有唯一最大功率点。但当失配问题存在时，P-U曲线会发生变化；尤其利用阻断二极管或者旁路二极管解决失配功率损失时，会产生比较特殊的P-U特性曲线，此时输出功率极大值不再唯一确定，会对最大功率跟踪技术造成影响。

5.1 串联失配对MPPT的影响

加旁路二极管的串联太阳能电池在不同辐照强度下功率特性曲线如图13所示。

图13 加旁路二极管的串联太阳能电池在不同光强引起的失配情况多峰值P-U特性曲线

由图13 可知，开路电压和短路电流随辐照强度的增大而减小。降低串联电流值在大于拐点电流值之后又出现一个功率峰值，形成双峰值功率特性曲线。而且不管是在何种光照下，加旁路二极管后功率曲线都是双峰值曲线。对本文示例分析，当辐照强度小于500 W/m2时，其最大功率出现在前峰值中；当辐照强度大于500 W/m2时，最大功率出现在后峰值中。这种最大功率位置改变的情况使得最大功率跟踪更加复杂。

5.2 并联失配对MPPT的影响

加阻断二极管的并联太阳能电池在不同辐照强度下功率特性曲线如图14所示。

图14 加阻断二极管的并联太阳能电池在不同光照引起的失配情况多峰值P-U特性曲线

由图14 可知，辐照强度变大时，并联太阳能电池组的开路电压随之增大，太阳能电池的输出功率拐点随之后移。但与加旁路二极管的串联太阳能电池在不同辐照强度功率特性曲线不同，并联太阳能电池的功率特性曲线的双峰值特性并不明显，在辐照强度不小于600 W/m2时，虽然曲线有较明显的折点，但只有一个极大值，即为单峰值曲线，这时对整个太阳能电池组最大功率的判断几乎没有影响。但在辐照强度小于600 W/m2时，其功率特性曲线和加旁路二极管的串联太阳能电池的功率特性曲线类似，也出现了明显的双峰值特性，最大功率点跟踪将会变得复杂。如果多个电池并联工作，出现多峰值的P-U特性曲线，出现检测错误的概率会大大增加。

6 结语

在实际应用中，太阳能电池常遇到辐照强度变化的情况，导致太阳能组件功率失配现象的发生。针对太阳能组件工作在失配的情形，从机理分析方面进行了深入研究。

对于并联太阳能电池，添加阻断二极管，可以有效地防止电流的反向流动，在一定程度上减少失配带来的功率损失；对于串联太阳能电池，旁路二极管，可以起到分流作用，发生失配的电池不再限制整个回路的电流，减少失配带来的功率损失。添加旁路二极管或阻断二极管是针对太阳能电池失配而采取的措施，有效地避免了受阴影影响的电池和正常的电池串联或并联导致的电路反电压、局部过热和组件烧毁问题，同时显著降低其输出功率。

但需要注意的是，添加旁路二极管或阻断二极管的方法均会形成多峰值的功率特性曲线，影响MPPT 分析。如何克服或解决该问题是今后研究的方向。