霍富強(qiáng)， 陳娜娜， 程　勇， 王國(guó)軍(許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

局部光照條件下光伏陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)

霍富強(qiáng)， 陳娜娜， 程勇， 王國(guó)軍
(許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所處環(huán)境的復(fù)雜化，無(wú)法保證光伏陣列不被遮擋而產(chǎn)生局部光照。局部光照導(dǎo)致光伏陣列輸出功率下降、組串功率特性復(fù)雜化及常規(guī)最大功率追蹤效果不佳。提出了優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法，使各組串輸出功率最大，提高陣列輸出功率。分析了優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法和模糊自適應(yīng)控制方法，仿真結(jié)果表明：優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)，使光伏陣列各組串輸出功率最大，提高了光伏陣列的輸出功率。該方法為光伏發(fā)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供了借鑒。

局部光照；光伏陣列；優(yōu)化設(shè)計(jì)；模糊自適應(yīng)

太陽(yáng)能是一種綠色環(huán)保能源，利用太陽(yáng)能發(fā)電的光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅猛。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)環(huán)境復(fù)雜化(建筑物密集、污垢嚴(yán)重和光伏陣列美觀要求等)，無(wú)法保證光伏陣列不被遮擋而產(chǎn)生局部光照。局部光照造成光伏陣列受光不均，極易導(dǎo)致陣列輸出功率損失和陣列失配及熱斑效應(yīng)等問(wèn)題[1-2]。因此，研究局部光照條件下光伏陣列輸出特性和結(jié)構(gòu)具有重要的實(shí)際意義。

局部光照對(duì)光伏陣列輸出特性影響很大，尤其使陣列功率-電壓(P-V)特性由單峰曲線變?yōu)槎喾迩€，造成全局峰值功率損失和局部峰值對(duì)功率控制干擾。目前減弱局部光照對(duì)光伏陣列影響的方法主要是將集中式發(fā)電系統(tǒng)改為組串式發(fā)電系統(tǒng)和優(yōu)化最大功率跟蹤算法[3-4]，一定程度上提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)功率，但并不能保證光伏陣列各組串輸出功率最大。本文提出了優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法，提高各陣列各組串輸出功率，最大限度提高陣列輸出功率，并通過(guò)仿真分析論證了該方法的正確性。該方法對(duì)提高光伏發(fā)電運(yùn)行效率和減弱熱

1 局部光照條件下光伏陣列特性分析

1.1光伏陣列結(jié)構(gòu)類(lèi)型

圖1　光伏陣列結(jié)構(gòu)示意圖

光伏陣列是串并聯(lián)光伏組件的組合；陣列結(jié)構(gòu)主要有串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)(SP)和TCT(total cross-tied)[5-6]等類(lèi)型，如圖1所示。串聯(lián)陣列中各組件電流相等，受光不均的組件變?yōu)樨?fù)載消耗陣列產(chǎn)生的電能，降低陣列輸出功率，陣列對(duì)光照強(qiáng)度較為敏感。并聯(lián)陣列中各組件電壓相等，受光不均組件不影響其他組件正常工作，陣列對(duì)光照強(qiáng)度不敏感。串并聯(lián)陣列集合了串聯(lián)和并聯(lián)陣列優(yōu)點(diǎn)，陣列對(duì)光照強(qiáng)度較為敏感。TCT陣列中流經(jīng)各節(jié)點(diǎn)的電壓和電流之和相等，陣列對(duì)光照敏感較弱但陣列結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。串并聯(lián)陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用廣泛且具有一定代表性，本文選用串并聯(lián)光伏陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2局部光照條件下光伏陣列特性

串并聯(lián)陣列如圖1(c)所示，陣列由P1、P2和P3光伏組串組成，每個(gè)組串由4個(gè)光伏組件串聯(lián)組成。假設(shè)PV23組件處于局部光照，PV23組件工作電壓和短路電流Isc降低；若負(fù)載較小，各組件正常發(fā)電，都能輸出功率，旁路二極管不起作用；若負(fù)載較大，I＆gt;Isc23且I＆lt;Isc21，I＆lt;Isc22，I＆lt;Isc24，組件PV21、PV22、PV24正常發(fā)電，組件PV23以熱量形式消耗陣列功率，旁路二極管D23導(dǎo)通，如圖1(c)虛框部分，此時(shí)PV23承受反壓，V23＆lt;0；若負(fù)載繼續(xù)增大，PV23消耗更多功率，熱量積累到一定程度出現(xiàn)熱斑效應(yīng)甚至破壞組件，影響陣列正常安全。

均勻光照時(shí)陣列電流-電壓(I-V)和P-V特性曲線如圖2 的curve1所示，P-V曲線為單峰曲線，具有唯一最大峰值；受光不均組件的旁路二極管導(dǎo)通時(shí)陣列輸出特性如圖2的curve2所示，I-V曲線呈現(xiàn)階梯狀，P-V曲線具有唯一最大峰值但具有局部峰值，局部峰值極易干擾最大功率跟蹤控制，導(dǎo)致陣列輸出功率損失；受光不均組件旁路二極管未導(dǎo)通時(shí)，陣列輸出特性如圖2的curve3所示，P-V曲線為單峰曲線，受光不均組件消耗陣列功率，導(dǎo)致陣列輸出功率損失。

圖2　　局部光照條件下光伏陣列特性曲線

局部光照是一個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象，局部光照程度不同光伏陣列輸出特性不同，即使光伏組串并聯(lián)，也不能保證每個(gè)光伏組串都工作在最大功率狀態(tài)。研究表明[7]，局部光照條件時(shí)，優(yōu)劣結(jié)構(gòu)光伏陣列輸出功率差別高達(dá)35％。為此，本文提出了優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法使光伏陣列各組串輸出功率最大，整體提高光伏陣列輸出功率。

2 光伏陣列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

圖3　優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4　自適應(yīng)模糊控制算法流程

在圖1(c)中，串并聯(lián)陣列由P1、P2和P3光伏組串并聯(lián)構(gòu)成。光伏陣列最大功率實(shí)質(zhì)為并聯(lián)光伏組串電壓相等時(shí)功率之和的最大值。局部光照條件下，受光不均的光伏組串工作電壓低于陣列電壓即該組串輸出功率并非最大，那么光伏陣列輸出功率也并非最大。本文采用優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法，將Boost變流器串接于光伏組串，通過(guò)直流斬波使組串電壓和陣列電壓相等，使光伏組串工作在最大功率狀態(tài)，整體提高光伏陣列輸出功率[8]。

優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括光伏陣列、Boost變流器和逆變器及負(fù)載。控制器采用自適應(yīng)模糊控制算法使組串電壓逼近陣列電壓，其基本原理是：控制器動(dòng)態(tài)計(jì)算組串電壓與陣列電壓差值，并將該值局部線性化；根據(jù)局部線性模糊值和模糊規(guī)則，動(dòng)態(tài)修正Boost變流器PWM波占空比D，使組串電壓逐步逼近陣列電壓，確保各光伏組串輸出功率最大，進(jìn)而提高光伏陣列輸出功率；局部光照是一個(gè)復(fù)雜模糊現(xiàn)象，為提高控制器控制品質(zhì)和對(duì)環(huán)境自適應(yīng)能力，采用表格查詢學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)優(yōu)化模糊規(guī)則，自適應(yīng)最優(yōu)模糊規(guī)則[9]。自適應(yīng)模糊控制算法流程如圖4所示，這種算法計(jì)算速度快，逼近精度高；能快速響應(yīng)外界環(huán)境變化，減弱在理想電壓處振蕩；兼顧速度和精度。

利用Matlab對(duì)優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)分析。優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3，光伏組件功率為30 W，Boost變流器頻率2 kHz，標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度1 000 W/m2，1.3 s時(shí)光照強(qiáng)度逐步變?yōu)?00 W/m2，即PV23組件處于局部光照。局部光照條件下，優(yōu)化和傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率和受光不均組串電壓仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，由圖可知，兩種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)性能基本一致，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的陣列輸出功率在1.3 s后略有波動(dòng)，1.7 s時(shí)趨于平穩(wěn)，最終輸出功率約345 W；傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)陣列最終輸出功率約310 W?？偟膩?lái)說(shuō)，優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能滿足要求，且功率提高約10％。

圖5　優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)仿真

3 結(jié)論

本文研究了局部光照條件下光伏陣列輸出特性，分析了功率損失原因，提出了優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)的方法并進(jìn)行仿真分析。仿真表明：局部陰影光照下，優(yōu)化光伏陣列結(jié)構(gòu)，將Boost變流器串接于光伏組串，各光伏組串輸出功率最大，整體提高光伏陣列輸出功率；與傳統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)相比，輸出功率明顯提高。光伏陣列組串串接Boost變流器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)于串并聯(lián)光伏陣列具有較好的適用性，對(duì)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行具有一定的參考價(jià)值。

圖6　　傳統(tǒng)光伏陣列結(jié)構(gòu)的發(fā)電系統(tǒng)仿真

[1]王東.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)集成[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：1-3．

[2]M魧KI A，VALKEALAHTI S．Power losses in long string and parallel-connected short strings of series-connectedsilicon-based photovoltaic modules due to partial shading conditions[J]．IEEE Transactions on Energy Conversation，2012，27(1)：173-183．

[3]劉邦銀，梁超輝，段善旭．直流模塊式建筑集成光伏系統(tǒng)的拓?fù)溲芯縖J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(20)：99-104．

[4]KHAJEHODDIN S A，BAKHSHAI A，JAIN P．A novel topology and control strategy for maximum power point trackers and multi-string grid-connected PV inverters[C]//Proceedings of Twenty-Third Annual IEEE.Austin，Texas，USA:APEC，2008．

[5]RAMAPRABHA R，MATHUR B L.A comprehensive review and analysis of solar photovoltaic array configurations under partial shaded conditions[J].International Journal of Photoenergy，2012，8246(2)：1-16．

[6]SYAFARUDDIN，KARATEPE，HIYAMA.Artificial neural network-polar coordinated fuzzy controller based maximum power point tracking control under partially shaded conditions[J].IET Renewable Power Generation，2009，3(2)：239-253.

[7]肖景良，徐政，林崇，等．局部陰影條件下光伏陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(11)：119-124．

[8]朱文杰，榮飛.局部陰影條件下基于支路串聯(lián)電壓源的光伏陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(36)：96-103．

[9]杜文吉.模糊控制系統(tǒng)中的若干關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，1999：23-80．

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

霍富強(qiáng)(1984-)，男，河南省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)逆變器、電力系統(tǒng)及繼電保護(hù)。斑效應(yīng)具有重要的實(shí)際意義。