1 引言
随着能源危机和环境问题的加剧,太阳能光伏系统逐渐成为一个具有竞争性的解决方案。但是在光伏系统的实际使用过程中,由于云块、建筑物遮挡、灰尘等因素,都会造成光伏系统的光照不均匀,产生阴影问题。若干太阳能光伏组件串联形成的光伏系统在部分遮挡的条件下,光伏系统的输出P-V特征曲线将会出现多个峰值,而传统的集中式MPPT架构可能得到错误信息而停留在局部最优点,导致功率损失。本文从光伏电池的双二极管模型入手,建立了一种实用性较强的光伏电池组件仿真模型,接着分析并仿真了光伏系统的集中式MPPT架构和更高效的分布式MPPT架构。
2 光伏电池的模型及部分遮挡条件下仿真
2.1 光伏电池模型
光伏电池双二极管模型等效电路如图1所示,为了表示耗尽区的复合损耗,同时提高仿真精度,
图1 光伏电池双二极管模型
本文采用双二极管模型,光伏电池的输出电流为:
图2 光伏组件的Simulink模型
的仿真模型如图2,该仿真模型可以设置开路电压、短路电流、日照、温度以及有无旁路二极管等参数。图2上半部分模拟了旁路二极管,选择器可选择是否加载旁路二极管。
2.3 部分遮挡仿真
在现实的环境中,树荫、供电电缆、云块、甚至是鸟类排泄物等都会造成太阳能光伏板部分被遮挡,而遮挡现象会对光伏系统造成很大的影响。把2.2节讨论的光伏组件作为研究对象进行仿真。假设3个完全相同的光伏组件串联连接,分别设定4种不同的模式:
(1) 无遮挡模式,光照强度都为1000();
(2) 遮挡且有旁路二极管模式,光照分别为1000、1000、 700();
(3) 遮挡且有旁路二极管模式,光照分别为1000、 500、100();
(4) 遮挡且没有旁路二极管模式,光照分别为1000、500、 100()。
图3 不同遮挡模式下P-V曲线
图3是利用simulink工具仿真的4种不同的模式下对应的串联光伏组件输出的P-V曲线。在P-V曲线中,模式2具有2个峰值,模式3具有3个峰值,峰值的数目与串联组件接收光照强度的种类相同。当串联组件遮蔽情况存在,P-V曲线具有多个峰值点。在多个峰值的情况下,按照传统的最大功率跟踪算法(爬山法,增量电导法等),如仅仅跟踪到较小的峰值,就可能损失了真正
的最大功率点[2]。
3 光伏系统架构
光伏系统架构主要有:集中式架构、微逆变器架构、分布式串联架构以及分布式并联架构。对于第二节所述的部分遮挡情况,传统的集中式架构失效,更高效的分布式架构得到广泛的应用。
3.1 集中式架构
(a)集中式架构 (b)分布式串联架构
图4 光伏系统架构
集中式架构如图4(a),所有光伏组件经过串并联后连接到DC/AC逆变器进而并网。集中式架构无法令每个组列的输出功率都达到最大。当受到部分遮挡时,光伏系统通过光伏组件的旁路二极管绕过遮蔽的组件。由仿真结果图3可知,在遮挡情况下太阳能光伏系统有多个最大功率点, 可能导致集中式最大功率点跟踪配置的额外损失,因为最大功率点跟踪器可能得到错误信息,停留在局部的最大功率点。
3.2 分布式串联架构
分布式串联架构如图4(b)所示。分布式串联架构下的DC-DC变换器可直接针对单个光伏组件进行最大功率跟踪,当其中的若干光伏组件受到遮挡时,DC-DC变换器能将阴影遮挡的影响降低到最小,使每个光伏组件功率输出最大化。
分布式串联架构的优势:(1)确保太阳能系统可以发挥最高的效率。使阵列中每个太阳能光伏组件输出功率达到最大;(2)分布式串联架构中,不同类型的光伏组件可混合使用;(3)对太阳能光伏组件起到了很好的保护作用;(4)使各个光伏组件的电压、电流等数据更容易采集;(5)太阳能系统的安装设计更加灵活,降低了安装成本;(6)可以采用低成本的逆变器;(7)方便维护[3] [4]。
4 实验与仿真
光伏组件的MATLAB仿真参数参考BP MSX60光伏组件,其峰值电压17.1V,峰值电流3.5A,开路电压21.1V,短路电流3.8A,开路电压温度系数-(80±10)mV/℃,短路电流温度系数(0.065±0.015)%/℃。
图5 光伏组件仿真参数窗口
(a)集中式架构 (b)分布式串联架构
图6 集中式架构与分布式串联架构
图7 集中式架构仿真模型
对含2个光伏组件的集中式与分布式架构部分遮挡情况进行仿真:一个光伏组件没有被遮挡,光照强度为1000,另一个光伏组件受到部分遮挡,光照强度为600,比较分布式架构与集中式架构的输出功率。
图6(a)为集中式架构,两个光伏组件串联,电流相等,采用第2节的光伏组件仿真模型。图7为集中为集中式架构的Simulink仿真模型,利用该仿真模型得到输出功率曲线如图8(a)。可知,由于存在部分遮挡情况,光伏系统出现两个峰值,最大的峰值功率明显小于80W。
图6(b)为分布式串联MPPT架构,两个DC/DC变换器分别对两个光伏组件进行功率优化,DC/DC变换器MPPT控制模块采用扰动观察法[5],输出功率曲线如图8(b)。分布式架构的输出功率约为90W,部分遮挡条件下,分布式架构光伏组串的输出功率大于集中式架构光伏组串的输出功率。
(a) 集中式架构光伏组串输出功率曲线
(b) 分布式串联架构输出功率曲线
图8 光伏系统架构输出功率曲线
5 结束语
本文采用光伏电池元双二极管模型,利用MATLAB/Simulink进行遮挡条件下光伏系统的仿真,通过仿真结果可以推断出S个光伏组件串联,如果有N
个不同的光照强度, P-V曲线出现N个峰值。传统集中式架构是对全部光伏组件执行最大功率跟踪,无法实现每个光伏组件输出最大功率。分布式架构下每个DC/DC变换器可以单独对每个光伏组件执行最大功率跟踪,即便有一个组件部分遮挡,每个组件的输出功率仍可最大化。通过仿真结果可以得出采用分布式MPPT架构可以减轻部分遮挡对系统的不利影响,因此分布式MPPT架构是提高太阳能发电系统能源生产率最有前景的技术。
参考文献:
[1] Kashif Ishaque,Zainal Salam,Syafaruddin.A comprehensive MATLAB Simulink PV system simulator with partial shading capability based on two-diode model.pdf [J].Solar Energy,2011,85:2217-2227.
[2] 冯宝成,苏建徽.部分遮挡条件下光伏组件的建模与仿真研究[J].电气传动,2011,41(7):61-64.
[3] Geoffrey R,Walker,Paul C.Sernia.Cascaded DC-DC Converter Connection of Photovoltaic Modules[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2004,19(4):1130-1139.
[4] M.D.Goudar,B.P.Patil,V.Kumar.Adaptive MPPT algorithm for a Distributed Wireless Photovoltaic Based Irrigation System[C].Devices and Communications (ICDeCom),2011 International Conference on:1-4.
[5] 李炜,朱新坚.光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J].计算机仿真,2006,23(6):239-243.