串联光伏组件伏安特性的仿真研究

王尚玉 WANG Shang-yu；钟黎萍 ZHONG Li-ping；陈玲 CHEN Ling；邵智超 SHAO Zhi-chao

（常熟理工学院电气与自动化工程学院，常熟 215500）

摘要： 根据光伏电池输出特性，利用MATLAB建立数学模型，针对不同外部条件进行了仿真研究，仿真结果与光伏组件实际输出特性相符，并发现串联光伏组件在局部阴影遮挡条件下的功率曲线具有多个峰值，这对光伏最大功率点跟踪算法提出了新的要求。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： 光伏组件；局部阴影；多峰特性

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0112-03

基金项目：本文受常熟理工学院大学生实践创新训练计划项目支持。

作者简介：王尚玉（1993-），男，江苏南京人，学生，研究方向为电力电子；钟黎萍（1970-），男，白族，湖南桑植人，工学博士，副教授，研究方向为电力电子与电气传动。

0 引言

迈入21世纪后，随着生活水平的日益提高，人类对工业生产导致的环境污染重视程度加大。在这种情况下，开发利用新能源，提高清洁能源的利用效率，已经成为不少国家重点研究的领域。在太阳能光伏发电方面，近几年我国取得了较大的进步。太阳能作为一种现代化清洁能源，它不仅无污染，而且还具有用之不尽、取之不竭等特点，是现代化最具有代表性的新能源之一。

从理论上来看，利用太阳能发电，最核心的环节就是通过光伏组件将太阳能转化为电能。从目前的实际情况来看，转化率较低是影响太阳能发电大规模推广和利用的主要问题。在针对太阳能光伏发电的研究中，对于如何提高太阳能的转换效率，是一个非常重要的问题。在本文的研究中，主要是通过相关的太阳能电池模型的对比分析，研究外界环境，如光照强度、环境温度等，对太阳能光伏发电所造成的实际影响。通过研究发现，太阳能光伏发电也会受到局部阴影遮挡的影响，基于这种情况，本文同时对局部阴影遮挡下的光伏输出进行研究。

1 光伏建模

1.1 光伏电池的等效数学模型

太阳能电池的I-V特性主要与日照强度G和环境温度T有关，即I=f（V，G，T）。根据电子学理论，光伏电池的等效数学模型为：

式中：I为光伏电池输出电流，V为光伏电池输出电压，Iph为光生电流，Ibk为二极管饱和电流，q为电子电荷量，Rs为光伏电池的串联电阻，r为二级管特性因子，F为玻耳兹曼常数，T为环境温度，Rsh为光伏电池并联电阻。

光伏电池等效电路如图1所示。

1.2.1 光照强度G对光伏电池的影响

根据设定的仿真参数进行仿真，得到在相同温度（T=25℃）下光伏电池的输出电压与电流和功率的曲线，分别如图3和图4所示。

由仿真结果可知，在相同环境温度下，随着日照的强度不断增大，光伏电池所能输出的最大电流和最大功率也不断增大。

1.2.2 环境温度T对光伏电池的影响

根据半导体的相关理论，在温度升高的情况下，载流子的扩散系数会不断升高。这样光生电流I也会随温度的升高而有所增加；开路电压直接同制造电池的半导体材料禁带宽度有关，而禁带宽度随温度的变化率是-0.003eV/℃，从而导致开路电压的变化率约为-2mV/℃，大约是室温时电池开路电压0.55V的0.4%。

根据设定的仿真参数进行仿真，得到在同一光照强度下光伏电池的输出电压与电流和功率的曲线，分别如图5和图6所示。

由仿真结果可知，在光照强度一定时，光伏电池所能输出的最大电流和最大功率随温度增大而减小。由此可得，光伏组件工作环境温度的增加对光伏组件的输出有负面影响。实际工作中，光伏阵列应安置在低温、恒温的地方，以保持良好的输出特性。

2 光伏组件的串联运行

2.1 串联光伏的特点

太阳能光伏是利用光电转换，最小单元是太阳能光电池，其尺寸一般在4cm2到225cm2之间。单体太阳能电池所产生的电流很小，一般在20～25mA/cm，工作电压为0.5V左右，因此功率也很小，不能单独的作为电源来使用。将单体太阳能光电池进行串并联后封装，就形成了太阳能电池组件。串行结构具有以下特点：

①串行结构中由于阵列中省去了阻塞二极管，阵列损耗下降；②抗热斑和抗阴影能力增加，多串MPPT设计，运行效率高；③系统扩展和冗余能力增强。

2.2 光伏组件串联结构

将多个太阳能电池最小模块进行串并联，从而形成光伏阵列，利用其发电。本文研究串联光伏电池组件，其电路模型如图7所示。

实际工作中，每一个被串联的光伏电池模块都并联一个旁路二极管，以使得某一块光伏电池被阴影遮挡时，整个电路的电流从旁路二极管上流通。

2.3 局部阴影遮挡下串联光伏的最大功率输出

为了解局部阴影遮挡下串联光伏组件的输出特性，从串联支路中取出两个电池组件A和B进行分析，如图8所示。

图8中：I为外部负载上电流，I1、I2分别为光伏电池A和B的输出电流，V1、V2分别为光伏电池A和B的输出电压。本文中用于Matlab建模的简化光伏电池数学模型如式（1）所示：

式中：C1、C2为修正系数；G为太阳辐射值；Gref为光伏接收辐射参考值，为1 kW/m2；Tref为光伏电池温度参考值，Tref=25 ℃；a为短路电流温度系数；b为开路电压温度系数；ISC为短路电流；VOC为开路电压；IM，VM为最大功率点的电流、电压；RS为光伏组件的串联电阻。电池参数参照DC01-175 型单晶硅光伏组件进行定，VM=36.2 V，VOC=43.9 V，IM=4.85 A，ISC=5.30 A，a=0.05，b=-0.35，RS=1Ω。

在均匀光照强度下，每个光伏电池的参数认为都是一致的，旁路二极管处于断态。

此时：I=I1=I2=F（V）；V1=V2=F（I）；

U=V1+V2；P=U*I

电压电流曲线维持膝形特性，电压功率曲线维持单峰性。

在非均匀光照强度下，若光伏组件B局部受到阴影遮挡，则其参数将发生改变，电流I2将减小，为Ic2。此时，I1≠Ic2，电流I从光伏电池B的旁路二级管流过。此时：

V1=F1（I1）；V2=F2（I2）； I1=F1（V1）；I2=；F2（V2）

在0

电压电流曲线发生变化，为双膝性；电压功率曲线也发生变化，为双峰形。

图中：

G=800模拟在轻度（1/3）遮挡下的输出；

G=600模拟在重度（1/2）遮挡下的输出。

3 结论

局部阴影遮挡会导致光伏组件输出能力下降，且随着遮挡面积的增大，所能输出的最大功率减小，输出最大功率点与遮挡比例呈反比。在相同光照强度下，伏电池所能输出的最大电流和最大功率随温度增大而减小。串联光伏组件的V-P特性曲线呈多峰值特性，在实际工作中，应考虑在局部阴影遮挡下对光伏阵列最大功率输出点的追踪,以确保系统的功率输出达到最佳状态，尽可能的减小系统功率的损失。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：

[1]赵辉，李会平，王红君，岳有军.局部遮光条件下光伏阵列的建模与分析研究[J].电源技术，2015，01.

[2]刘晓艳，祁新梅，郑寿森，陈达明，王飞.局部阴影条件下光伏阵列仿真模型的研究[J].系统仿真学报，2012（05）.

[3]梁双，胡学浩，张东霞，徐连峰.基于综合价值的固定式光伏阵列朝向与倾角优化方法[J].电力系统自动化，2012（20）.

[4]王晓兰，葛鹏江.基于相似日和径向基函数神经网络的光伏阵列输出功率预测[J].电力自动化设备，2013（01）.

[5]王冰清，童亦斌，曾国宏.部分阴影下光伏阵列功率输出多峰特性研究[J].低压电器，2013（01）.

[6]王志涛，张林森，金恺，白庆玲，司延举，董会超，王力臻.聚偏氟乙烯准固态电解质薄膜的制备及性能研究[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2014（05）.