复杂光照条件下光伏组件输出特性研究

梁 田，王胜辉，李潇潇，乌 热，于宝胜

（1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136；
2.辽宁能源投资（集团）有限责任公司 新能源发展部，辽宁 沈阳 110000；
3.辽宁太阳能研究应用有限公司a.综合部；
b.工程部，辽宁 沈阳 110136）

在分析光伏组件特性时，常用的参数包括光生电流、光伏电池饱和电流、反向饱和电流、等效电阻分流电流和输出电流：

根据式（1）～（5）搭建光伏组件模型，如图1 所示。通过外接温度T、光照强度S以及外接可控电压将该模型进行封装连接，选用天威英利新能源有限公司的光伏电池板，其峰值电压为18.1 V，峰值电流为7.74 A，峰值功率为140 W。

图1 光伏组件输出模型

光伏组件的输出功率常常受到外界条件的制约，特别是光照强度和温度等，而厂商提供的光伏电池板参数是在标准状况（Sref=1 000 W/m2，Tref=25 ℃）下的，所以有必要对光伏组件在不同光照下的输出特性进行研究。

根据图1 所示的光伏组件模型，对每个电池组件并联1 个旁路二极管，将参考电压输入添加至光伏电池内部，形成定值输入，添加一个可控电压源模块控制光伏电池的输出电压，其仿真模型如图2所示。

图2 两块光伏组件串联的仿真模型

云层遮挡、障碍物、污染物或者楼体反射等情况会导致部分光伏组件的辐照度发生变化，如表1所示。根据表1 对模型进行仿真，结果如图3 和图4所示。

表1 组件1与组件2的辐照度变化表 W/m2

图3 两块光伏组件串联时的U-P输出特性曲线

图4 两块光伏组件串联时的U-I输出特性曲线

由图3 和图4 可知，当2 块光伏组件串联时，最大功率点位于前后波峰极值之间。光伏组件在正常光照下的U-I曲线是膝形；
当存在复杂光照条件时，U-I曲线则由多个阶梯组成，且复杂条件越多，曲线越复杂。当两块光伏组件受到非均匀光照射，其中一块光伏电池辐照度增加且幅度较大，另一块光伏电池辐照度降低且幅度较大时，光伏组件的输出电流会出现大幅度、跨越式下降。当两块光伏组件受到非均匀光照射而导致两块光伏电池辐照度同时大幅度增大时，其U-P 特性曲线近似无双峰出现（图中6号曲线），且输出功率大幅度增大。

在图2的基础上，串联第3块光伏组件，每块组件的辐照度和温度变量计为S和T，仿真模型如图5所示。

图5 三块光伏组件串联的仿真模型

3 块光伏组件受到的辐照度变化如表2 所示，仿真结果如图6和7所示。

表2 组件1、组件2与组件3的辐照度变化表 W/m2

图6 3块光伏组件串联时不同光照下的U-P特性曲线

由图6 和图7 可知，当3 块光伏组件串联时，在光伏组件所受辐照度相同的条件下，阴影分布越不均匀，组件的功率损失就越大。当组串式光伏阵列的每块光伏组件均受到楼体反射，导致所受到的辐照度增加为1 100 W/m2时，2 块光伏组件串联的最大输出功率为330 W（标准测试条件下为290 W），3 块光伏组件串联的最大输出功率为450 W（标准测试条件下为420 W）；
当组串式光伏阵列的每块光伏组件受到的辐照度减少为500 W/m2时，2个光伏组件串联的最大输出功率为120 W，3 个光伏组件串联的最大输出功率为200 W。根据图7（曲线3、6、9）可知，当3 块光伏组件串联时，若每块光伏组件所受辐照度相差200 W/m2时，其最大输出功率为80 W；
所受辐照度相差300 W/m2时，最大输出功率为120 W；
所受辐照度相差400 W/m2时，最大输出功率为155 W。因此，当光伏组件所受辐照度相差越多时，其最大输出功率越大。根据图7 中的曲线2 和曲线10 可知，当3 块光伏组件串联，其中一块未受到阴影遮挡时，另两块光伏组件受辐照度相差越多，其最大输出功率越大（图中曲线2 为200 W，曲线10为180 W）。

图7 3块光伏组件串联时不同光照下的U-I特性曲线

针对24 V 独立系统，在图2 的基础上设计了2块光伏组件先串联再并联的2×2 光伏阵列仿真模型，如图8所示。

图8 2×2光伏阵列仿真模型

2×2光伏阵列中的4块光伏组件受到的辐照度变化如表3 所示，该模型在复杂光照条件下仿真得到的输出特性如图9和图10所示。

图9 2×2光伏阵列在不同光照下的U-P特性曲线

图10 2×2光伏阵列在不同光照下的U-I特性曲线

表3 组件1、组件2、组件3与组件4的辐照度变化表W/m2

当2×2光伏阵列中的组件1和组件2的辐照度减小至500 W/m2，组件3 和组件4 的辐照度增加至1 100 W/m2，即串联的两组光伏组件辐照度变化一致时，其U-P 特性输出曲线与2×2 光伏阵列受到均匀阴影时的特性输出曲线形状相同；
当2×2光伏阵列中的4 块光伏组件辐照度变化如表3 中的序号2和序号3 时，其U-P 特性输出曲线有2 个峰值，其U-I特性输出曲线有2个膝点；
当2×2光伏阵列中的4块光伏组件所受的辐照度均增加至1 100 W/m2时，其最大输出功率为648 W。

1）在复杂光照条件下，组串式光伏阵列和2×2光伏阵列的U-P特性输出曲线呈多峰值状，U-I特性输出曲线呈阶梯状，其U-P 曲线极点数也会随着光照变化复杂程度的增加而增加。

2）在复杂光照条件下，组串式光伏阵列的U-P特性输出曲线会存在多个最大功率点，而最大功率点的位置不确定，传统的最大功率算法失效，需要有改进的跟踪算法对其进行最大功率跟踪。