熱斑效應(yīng)和陰影遮擋對(duì)分布式電站的影響分析

分布式電站不同于大型地面電站，分布式電站一般建設(shè)在工商業(yè)企業(yè)的屋頂上。大部分工商業(yè)屋頂也會(huì)擺放其他設(shè)備。例如：中央空調(diào)的冷卻塔、普通空調(diào)的壓縮機(jī)、電梯井。同時(shí)周?chē)叽蠼ㄖ锖蜆?shù)木都會(huì)在特定時(shí)刻產(chǎn)生影響屋頂分布式電站的陰影；樹(shù)葉和鳥(niǎo)糞會(huì)在電池組件的表面附著。空調(diào)系統(tǒng)會(huì)造成發(fā)電系統(tǒng)局部陣列升溫。由于上述復(fù)雜因素，必須對(duì)這些因素對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析。 　　1.1熱斑效應(yīng)和數(shù)學(xué)模型 　　熱斑效應(yīng)是指正常工作的電池組件在某一時(shí)刻，一個(gè)單體電池片被小的物體遮蓋。導(dǎo)致此單體電池所能產(chǎn)生的電流變小。電池組件中的單體電池片可以看成是一個(gè)具有類(lèi)似二極管的P-N結(jié)結(jié)構(gòu)，具有反向雪崩擊穿現(xiàn)象，根據(jù)基爾霍夫電流與電壓定律，當(dāng)被遮擋的單體電池所能產(chǎn)生的電流小于電路的電流時(shí)，該單體電池帶負(fù)壓，成為負(fù)載。并以發(fā)熱形式消耗其他單體電池片發(fā)出的能量。 圖1-1 　　IPH=I+Id+Ipa+Ise(1-1) 　　式（1-1）所示在電池組件正常工作時(shí)，光生電流IPH被3個(gè)環(huán)節(jié)消耗了，一部分被負(fù)載消耗（I），一部分被內(nèi)阻消耗了（Ipa+Ise），一部分被等效二極管消耗掉了（Id）當(dāng)出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象時(shí)，Ipa、Ise、Id數(shù)值會(huì)變大，三者疊加到達(dá)一定值時(shí)，單體電池片會(huì)被擊穿。熱斑效應(yīng)跟電池組件的生產(chǎn)工藝也有很大關(guān)系。由于生產(chǎn)水平的缺陷，往往會(huì)導(dǎo)致單體電池片的內(nèi)阻不均勻。內(nèi)阻不均勻的電池片極易產(chǎn)生熱斑現(xiàn)象。 　　熱斑效應(yīng)的危害非常大。輕則燒毀電池片，嚴(yán)重的會(huì)引起整片電池組件的燃燒并引起火災(zāi)。近幾年由熱斑效應(yīng)引起的電站火災(zāi)多有發(fā)生。分布式電站起火不但會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重的會(huì)造成人員傷亡。這就要求電站管理方定期巡檢及時(shí)清潔，避免危險(xiǎn)產(chǎn)生。 　　2環(huán)境因素對(duì)電池組件的影響 　　1.2.1STC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件  　　STC（StandardTestCondition）測(cè)試是一種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?；驹硎钱?dāng)閃光照到被測(cè)電池上時(shí)，用電子負(fù)載控制太陽(yáng)電池中電流變化，測(cè)出電池的伏安特性曲線(xiàn)上的電壓和電流，溫度，光的輻射強(qiáng)度，測(cè)試數(shù)據(jù)送入微機(jī)進(jìn)行處理并顯示。國(guó)際同行標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境：輻照度1000W/M2，環(huán)境溫度25°C,AM=1.5；功率公差范圍：±3%.圖1-4所示，某廠(chǎng)家型號(hào)為ET-M672280WW280Wp電池組件在STC環(huán)境下的P-U曲線(xiàn)。（本章都以此型號(hào)電池組件為實(shí)驗(yàn)及仿真對(duì)象） 　　1.2.2遮擋對(duì)電池組件的影響 　　云層、高大建筑和樹(shù)木產(chǎn)生的大面積陰影對(duì)電池組件的直接影響就是太陽(yáng)能輻照度的變化。圖1-4中曲線(xiàn)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(xiàn)和最大功率點(diǎn)數(shù)據(jù)。見(jiàn)表1-1 　　由表1-1中數(shù)據(jù)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(duì)電池組件的影響  　　太陽(yáng)能電池組件有2個(gè)和溫度有關(guān)的參數(shù)即電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)。ET-M672280WW電池組件的開(kāi)路電壓溫度系數(shù)為-0.33%/K。即當(dāng)溫度每升高一開(kāi)爾文，組件的開(kāi)路電壓會(huì)下降0.33%，約146mV，反之上升。電池組件的短路電流溫度系數(shù)為0.031%/K。當(dāng)溫度每升高一開(kāi)爾文，組件的短路電流會(huì)上升0.031%，約2.49mV，反之下降。溫度上升導(dǎo)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(duì)組件的功率還是有比較大的影響，溫度每上升一個(gè)開(kāi)爾文，電池組件的輸出功率下降0.39%，約1.1W。圖1-7生成數(shù)據(jù)，溫度每10K上升一次功率下降10-11W。 　　由此可見(jiàn)，溫度對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響較大。在電站設(shè)計(jì)選址時(shí)，應(yīng)該避免靠近空調(diào)壓縮機(jī)。并適當(dāng)增大電池組件之間以及組件和地表的距離，達(dá)到通風(fēng)散熱的目的。 　　1.3標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能組件數(shù)學(xué)建模以及MATLAB仿真 　　1.3.1數(shù)學(xué)模型 　　1.3.2MATLAB工程建模 　　由式（1-3）-（1-12）進(jìn)行MATLAB工程建模后，電池組件的內(nèi)部關(guān)聯(lián)如圖1-8 　　將內(nèi)部關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)封裝后進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，圖1-9所示。組件的開(kāi)路電壓、短路電流，最佳工作電壓、電流，電壓、電流溫度系數(shù)，溫度，太陽(yáng)能輻照度等參數(shù)都可以自由設(shè)定。 　　圖1-10是MATLAB模型通過(guò)仿真后，得到的STC條件下的U-I曲線(xiàn)；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(xiàn)；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(xiàn)。圖1-13是在MPPT下的P-T仿真圖。（擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法） 　　由圖可見(jiàn)MATLAB和Pvsyst軟件仿真的數(shù)據(jù)有1-2%的差距，說(shuō)明通過(guò)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出來(lái)的MATLAB電池組件模型完全可以用于工程仿真。 　　1.4復(fù)雜環(huán)境下的分布式電站MATLAB仿真 　　大多數(shù)分布式電站受到屋頂面積的限制,裝機(jī)容量都不大。同時(shí)受到配電室面積的制約也沒(méi)有辦法使用體積龐大的集中式逆變器。通常會(huì)使用戶(hù)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(jù)電站裝機(jī)容量的大小靈活配置。 　　圖1-14所示為光伏陣列的等效電路，每一塊電池組件都并聯(lián)了一個(gè)旁路二極管。如果組件被遮擋，二極管導(dǎo)通。被遮擋的組件會(huì)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(jīng)過(guò)匯流箱、直流配電柜匯集到逆變器的直流側(cè)。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，每一臺(tái)500Kw集中式逆變器會(huì)并聯(lián)112串電池組串，每個(gè)組串會(huì)由18-20塊電池組件串聯(lián)。由于組件之間的個(gè)體差異造成組串之間的電壓和電流的差異,又因?yàn)椴⒙?lián)的組串?dāng)?shù)量過(guò)多，這就造成了不同大小電壓的耦合，降低了整個(gè)光伏陣列的效率。 　　對(duì)于大型地面站如果沒(méi)有嚴(yán)重的遮擋，僅僅因?yàn)殡妷翰黄ヅ涞脑斐傻墓β蕮p失很少。但是對(duì)于分布式電站來(lái)說(shuō)，如果環(huán)境復(fù)雜，就不適合使用集中式逆變器。應(yīng)該使用帶多路MPPT的組串式逆變器。 　　組串式逆變器有2-3個(gè)MPPT，這樣可以把由于遮擋或者組件個(gè)差異造成的電壓差異解耦(圖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(diǎn)，本小節(jié)只研究一個(gè)組串被遮擋的情況。 　　仿真2：大電流情況下負(fù)載（5Ω），2塊280wp有一塊組件被遮擋時(shí)(500W/M2)P-U和U-I曲線(xiàn)。見(jiàn)圖1-21，圖1-22.在負(fù)載較小的時(shí)候，組件的輸出電流較大。導(dǎo)致旁路二極管導(dǎo)通，被遮擋的組件被旁路。組件的輸出特性沒(méi)有明顯變化，符合數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)。見(jiàn)圖1-22,1-23； 　　仿真3：小電流情況下負(fù)載（50Ω），2塊280wp有一塊組件被遮擋時(shí)(500W/M2)P-U和U-I曲線(xiàn)。見(jiàn)圖1-21，圖1-22.在負(fù)載較大的時(shí)候，組件的輸出電流較小。旁路二極管沒(méi)有導(dǎo)通組件的輸出特性符合雙峰特性，符合數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)。見(jiàn)圖1-24,1-25。雙膝、雙峰曲線(xiàn)也基本符合FLUKE-IV測(cè)試儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的曲線(xiàn)。圖1-26,1-27 　　1.4.3多組件模塊復(fù)雜環(huán)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(fù)雜物體遮擋。局部溫度到達(dá)65攝氏度。平均輻照度800W/M2，局部遮擋后4塊電池組件輻照度降低至200W/M2、1塊降低至500W/M2。 　　仿真后得到圖1-29、圖1-30，由于全局有3個(gè)輻照度變量1個(gè)溫度變量。U-I曲線(xiàn)出現(xiàn)了3個(gè)明顯的局部膝點(diǎn)。P-U圖形出現(xiàn)了3個(gè)局部峰值功率點(diǎn)。基本吻合文獻(xiàn)中的理論推導(dǎo)。 　　由仿真結(jié)果可以看出全局最大功率為0.88KW，沒(méi)有遮擋情況下800W/M2，25℃時(shí)10塊280Wp的理論最大功率應(yīng)為2.25KW。計(jì)算出的功率損失61%。這一仿真結(jié)果符合工程實(shí)際情況。 　　小結(jié)：本章首先分析了熱斑效應(yīng)的原理，并從原理角度說(shuō)明了熱斑效應(yīng)的產(chǎn)生和危害。并指出只有加強(qiáng)巡檢才能避免熱斑效應(yīng)。其次推導(dǎo)出了電池組件的工程模型，并驗(yàn)證了工程模型的可靠性。最后推導(dǎo)出了復(fù)雜環(huán)境下的電池組件數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了MATLAB仿真并得到了符合工程實(shí)際的結(jié)果。該工程模型可以模擬復(fù)雜環(huán)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。