• 熱斑效應和陰影遮擋對分布式電站的影響分析
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    分布式電站不同于大型地面電站,分布式電站一般建設在工商業企業的屋頂上。大部分工商業屋頂也會擺放其他設備。例如:中央空調的冷卻塔、普通空調的壓縮機、電梯井。同時周圍高大建筑物和樹木都會在特定時刻產生影響屋頂分布式電站的陰影;樹葉和鳥糞會在電池組件的表面附著??照{系統會造成發電系統局部陣列升溫。由于上述復雜因素,必須對這些因素對發電系統的影響進行分析。

     

    1.1熱斑效應和數學模型

     

    熱斑效應是指正常工作的電池組件在某一時刻,一個單體電池片被小的物體遮蓋。導致此單體電池所能產生的電流變小。電池組件中的單體電池片可以看成是一個具有類似二極管的P-N結結構,具有反向雪崩擊穿現象,根據基爾霍夫電流與電壓定律,當被遮擋的單體電池所能產生的電流小于電路的電流時,該單體電池帶負壓,成為負載。并以發熱形式消耗其他單體電池片發出的能量。


    1-1,

     

    IPH= I + Id +Ipa+ Ise (1-1)

    式(1-1)所示在電池組件正常工作時,光生電流IPH 3個環節消耗了,一部分被負載消耗(I),一部分被內阻消耗了(Ipa+Ise),一部分被等效二極管消耗掉了(Id)當出現熱斑現象時,Ipa、Ise、 Id數值會變大,三者疊加到達一定值時,單體電池片會被擊穿。熱斑效應跟電池組件的生產工藝也有很大關系。由于生產水平的缺陷,往往會導致單體電池片的內阻不均勻。內阻不均勻的電池片極易產生熱斑現象。

     

    熱斑效應的危害非常大。輕則燒毀電池片,嚴重的會引起整片電池組件的燃燒并引起火災。近幾年由熱斑效應引起的電站火災多有發生。分布式電站起火不但會導致財產損失,嚴重的會造成人員傷亡。這就要求電站管理方定期巡檢及時清潔,避免危險產生。


    1-2

    1-3
     

    1.2環境因素對電池組件的影響

     

    1.2.1STC標準測試條件

     

    STCStandard Test Condition)測試是一種標準測試?;驹硎钱旈W光照到被測電池上時,用電子負載控制太陽電池中電流變化,測出電池的伏安特性曲線上的電壓和電流,溫度,光的輻射強度,測試數據送入微機進行處理并顯示。國際同行標準的測試環境:輻照度1000W/M2,環境溫度25 °C, AM=1.5;功率公差范圍: ± 3%. 1-4所示,某廠家型號為ET-M672280WW 280Wp電池組件在STC環境下的P-U曲線。(本章都以此型號電池組件為實驗及仿真對象)

    1-4

    1-5

     

    1.2.2遮擋對電池組件的影響

     

    云層、高大建筑和樹木產生的大面積陰影對電池組件的直接影響就是太陽能輻照度的變化。圖1-4中曲線是在輻照度1000W/ M2條件下生成的,圖1-5生成了5種不同輻照度條件的P-U曲線和最大功率點數據。見表1-1

    輻照度(W/m2

    最大功率點(W

    1000

    280.2

    800

    220.7

    600

    162.1

    400

    104.8

    200

    49.6

    1-1


    1-6

     

    由表1-1中數據所示,輻照度越大組件的輸出功率越大,反之越小。

     

    1.2.3溫度對電池組件的影響

     

    太陽能電池組件有2個和溫度有關的參數即電壓溫度系數、電流溫度系數。ET-M672280WW電池組件的開路電壓溫度系數為-0.33%/K。即當溫度每升高一開爾文,組件的開路電壓會下降0.33%,約146mV,反之上升。電池組件的短路電流溫度系數為0.031%/K。當溫度每升高一開爾文,組件的短路電流會上升0.031%,約2.49mV,反之下降。溫度上升導致的電壓和電流的變化,由于電流的變化幅度較小。圖1-6所示,溫度對組件的功率還是有比較大的影響,溫度每上升一個開爾文,電池組件的輸出功率下降0.39%,約1.1W。圖1-7生成數據,溫度每10K上升一次功率下降10-11W。


    1-7

     

    由此可見,溫度對發電系統的影響較大。在電站設計選址時,應該避免靠近空調壓縮機。并適當增大電池組件之間以及組件和地表的距離,達到通風散熱的目的。

     

    1.3標準太陽能組件數學建模以及MATLAB仿真

    1.3.1數學模型

    式(1-2)為標準的電池組件數學模型,光生電流等于流過負載的電流、反向飽和電流、流過內阻電流三者之和。(參數見表1-2

    式(1-2)是一個含有多個未知量的超越方程,式中電池的串聯、并聯內阻、二極管的品質因子、光生電流、二極管的反向包和電流都不方便測量。為了方便工程應用和工程建模。

    忽略了并聯電阻的數據,因為并聯電阻太大往往有150-300歐姆。式(1-2)可以改寫為式(1-3 

    當電池在開路狀態下,I=0;V=Voc;在最大功率點狀態下,I=Impp;V=Vmpp;設Iph=Isc

    可得式1-4)( 1-5

    名稱

    單位

    描述

    I

    A

    單體電池的輸出電流

    U

    V

    單體電池的輸出電壓

    UOC

    V

    單體電池的開路電壓

    ISC

    A

    單體電池的短路電流

    IPH

    A

    單體電池光生電流

    Id,Idb

    A

    反向飽和電流

    Rpa

    Ω

    單體電池并聯電阻

    Rse

    Ω

    單體電池串聯電阻

    K

    0.86*10-4ev/k

    玻耳茲曼常量

    n,nb


     

    二極管特性因子

    q

    1.6*10-19c

    電荷常數

    T

    K

    電池表面溫度

    IMD

    A

    組件輸出電流

    VMD

    V

    組件輸出電壓

    Impp

    A

    最佳工作電流

    Vmpp

    V

    最佳工作電流

    N


     

    組件串聯個數

    α

    mA/

    電流溫度系數

    β

    mV/

    電壓溫度系數

    Ib1,Ib2

    A

    旁路二極管電流

    1-2
     

    1.3.2MATLAB工程建模

    由式(1-3-1-12)進行MATLAB工程建模后,電池組件的內部關聯如1-8

    將內部關聯結構封裝后進行參數設定,圖1-9所示。組件的開路電壓、短路電流,最佳工作電壓、電流,電壓、電流溫度系數,溫度,太陽能輻照度等參數都可以自由設定。

     

    1-8

    1-9

    1-10

    1-11

    1-10MATLAB模型通過仿真后,得到的STC條件下的U-I曲線;圖1-11是輻照度800W/ M2、溫度45攝氏度條件下MATLAB模型生成的P-U曲線;圖1-12是輻照度800W/ M2、溫度45攝氏度條件下Pvsyst軟件生成的P-U曲線。圖1-13是在MPPT下的P-T仿真圖。(擾動觀測法)

    1-12

    1-13

    由圖可見MATLABPvsyst軟件仿真的數據有1-2%的差距,說明通過數學模型推導出來的MATLAB電池組件模型完全可以用于工程仿真。

     

    1.4 復雜環境下的分布式電站MATLAB仿真

     

    大多數分布式電站受到屋頂面積的限制,裝機容量都不大。同時受到配電室面積的制約也沒有辦法使用體積龐大的集中式逆變器。通常會使用戶外式的多路MPPT組串式逆變器。目前組串逆變器的功率在10KW-50KW之間,可以根據電站裝機容量的大小靈活配置。

    1-14

    1-15


    1-16

    1-14所示為光伏陣列的等效電路,每一塊電池組件都并聯了一個旁路二極管。如果組件被遮擋,二極管導通。被遮擋的組件會被旁路,從而不影響其他電池組件的工作。如果使用集中式逆變器,直流電流經過匯流箱、直流配電柜匯集到逆變器的直流側。按照常規設計,每一臺500Kw集中式逆變器會并聯112串電池組串,每個組串會由18-20塊電池組件串聯。由于組件之間的個體差異造成組串之間的電壓和電流的差異,又因為并聯的組串數量過多,這就造成了不同大小電壓的耦合,降低了整個光伏陣列的效率。

     

    對于大型地面站如果沒有嚴重的遮擋,僅僅因為電壓不匹配的造成的功率損失很少。但是對于分布式電站來說,如果環境復雜,就不適合使用集中式逆變器。應該使用帶多路MPPT的組串式逆變器。

     

    組串式逆變器有2-3MPPT,這樣可以把由于遮擋或者組件個差異造成的電壓差異解耦(1-16)。這樣就做到了被遮擋組件和正常工作組件的互不影響,功率得到充分的利用。由于組串逆變器的這一特點,本小節只研究一個組串被遮擋的情況。

     

    1.4.1被遮擋的組件的數學模型

    一個N塊組件組成的組串的模型。仍可由式1-2、1-3 表示。圖1-15所示2塊串聯的組件的等效電路圖。

    1)一塊組件對外輸出功率時

    在有遮擋的情況下,假設IPH1IPH2 隨著外接負載的不同,旁路二極管有導通或者阻斷2種情況發生。當外接負載電阻很小,組件輸出電流很大時,假設IPH1IPH2,組件1的輸出電流大于組件2產生的電流IPH2。組件2的旁路二極管導通.組件1多余的電流從旁路二極管流過對外輸出.只有組件1對外輸出功率,組件2吸組件1輸出的一部分功率,因此串聯后的電流方程就是組件1的輸出特性方程。見式1-14

    為旁路二極管的電壓降,可以用式(1-15)表示:

    把式(1-15)帶入(1-14)得(1-16

    2二塊組件同時對外輸出功率

     

    當外接負載增大時,組件的輸出電流減小。被遮擋的組件2產的生的電流可以對外輸出功率時候,組件1和組件2同時工作,即 IPH1=IPH2時。此時的特性方程為式(1-17

    888

    綜合組件遮擋后輸出的兩種情況,可以確認組件輸出的U-I曲線和P-U曲線不在是單峰特性。存在2個峰值。

     

    1.4.2MATLAB模型搭建

     

    本章第3節中已經證明了單體組件的matlab模型的實用性。根據式(1-13-1-18

    建立模型架構如圖1-17

    1-17


    1-18

    模型其中包含兩個組件串聯的模型, 模型中的S為光照強度,默認理想情況為1000,T為溫度默認為25℃。局部陰影情況仿真時改變一定數量光伏電池的光照強度即可實現,2個光伏電池的光照條件和溫度可以調節。仿真結束后在matlab主界面輸入plot(Udc,Power)繪制U-P曲線,輸入plot(Udc,Ipv)繪制U-I曲線。圖1-19為實驗模型主體,包括示波器、電壓、電流表和可調負載。仿真模擬280wp多晶硅組件參數。

     

    1-19

    仿真1:模擬STC條件下2280wp組件P-UU-I曲線。見圖1-20,1-21;

    仿真2:大電流情況下負載(5Ω),2280wp有一塊組件被遮擋時(500W/M2)P-UU-I曲線。見圖1-21,圖1-22.在負載較小的時候,組件的輸出電流較大。導致旁路二極管導通,被遮擋的組件被旁路。組件的輸出特性沒有明顯變化,符合數學模型的推導。見圖1-22,1-23;

     

    仿真3:小電流情況下負載(50Ω),2280wp有一塊組件被遮擋時(500W/M2)P-UU-I曲線。見圖1-21,圖1-22.在負載較大的時候,組件的輸出電流較小。旁路二極管沒有導通組件的輸出特性符合雙峰特性,符合數學模型的推導。見圖1-24,1-25。雙膝、雙峰曲線也基本符合FLUKE-IV測試儀器現場測量的曲線。圖1-26,1-27

     

    1.4.3多組件模塊復雜環境下MATLAB仿真

     

    如圖1-28模擬了10片電池組件(PV、PV1模塊各封裝了4塊組件,PV2封裝了2塊組件)被復雜物體遮擋。局部溫度到達65攝氏度。平均輻照度800 W/M2,局部遮擋后4塊電池組件輻照度降低至200 W/M2、1塊降低至500 W/M2 。

    1-28

     

    仿真后得到圖1-29、圖1-30,由于全局有3個輻照度變量1個溫度變量。U-I曲線出現了3個明顯的局部膝點。P-U圖形出現了3個局部峰值功率點?;疚呛衔墨I中的理論推導。

     

    由仿真結果可以看出全局最大功率為0.88KW,沒有遮擋情況下800 W/M2,25℃時10280Wp的理論最大功率應為2.25KW。計算出的功率損失61%。這一仿真結果符合工程實際情況。

     

    小結:本章首先分析了熱斑效應的原理,并從原理角度說明了熱斑效應的產生和危害。并指出只有加強巡檢才能避免熱斑效應。其次推導出了電池組件的工程模型,并驗證了工程模型的可靠性。最后推導出了復雜環境下的電池組件數學模型,并進行了MATLAB仿真并得到了符合工程實際的結果。該工程模型可以模擬復雜環境下的組件輸出特性。在一些情況下比PVSYST軟件更加方便使用。

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