熱斑效應(yīng)和陰影遮擋對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、電梯井。同時周圍高大建筑物和樹木都會在特定時刻產(chǎn)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{(diào)系統(tǒng)會造成發(fā)電系統(tǒng)局部陣列升溫。由于上述復雜因素，必須對這些因素對發(fā)電系統(tǒng)的影響進行分析。 　　1.1熱斑效應(yīng)和數(shù)學模型 　　熱斑效應(yīng)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(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具有類似二極管的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，當被遮擋的單體電池所能產(chǎn)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(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，光生電流IPH被3個環(huán)節(jié)消耗了，一部分被負載消耗（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）當出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象時，Ipa、Ise、Id數(shù)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(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，往往會導致單體電池片的內(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(yīng)引起的電站火災多有發(fā)生。分布式電站起火不但會導致財產(chǎn)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(chǎn)生。 　　2環(huán)境因素對電池組件的影響 　　1.2.1STC標準測試條件  　　STC（StandardTestCondition）測試是一種標準測試。基本原理是當閃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(shù)據(jù)送入微機進行處理并顯示。國際同行標準的測試環(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，某廠家型號為ET-M672280WW280Wp電池組件在STC環(huán)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） 　　1.2.2遮擋對電池組件的影響 　　云層、高大建筑和樹木產(chǎn)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(shù)據(jù)。見表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溫度對電池組件的影響  　　太陽能電池組件有2個和溫度有關(guān)的參數(shù)即電壓溫度系數(shù)、電流溫度系數(shù)。ET-M672280WW電池組件的開路電壓溫度系數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)，溫度每10K上升一次功率下降10-11W。 　　由此可見，溫度對發(fā)電系統(tǒng)的影響較大。在電站設(shè)計選址時，應(yīng)該避免靠近空調(diào)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(shù)學建模以及MATLAB仿真 　　1.3.1數(shù)學模型 　　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(nèi)部關(guān)聯(lián)如圖1-8 　　將內(nèi)部關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)封裝后進行參數(shù)設(shè)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(shù)，溫度，太陽能輻照度等參數(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） 　　由圖可見MATLAB和Pvsyst軟件仿真的數(shù)據(jù)有1-2%的差距，說明通過數(shù)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(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(jù)電站裝機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(jīng)過匯流箱、直流配電柜匯集到逆變器的直流側(cè)。按照常規(guī)設(shè)計，每一臺500Kw集中式逆變器會并聯(lián)112串電池組串，每個組串會由18-20塊電池組件串聯(lián)。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(lián)的組串數(shù)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(huán)境復雜，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MPPT，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(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，本小節(jié)只研究一個組串被遮擋的情況。 　　仿真2：大電流情況下負載（5Ω），2塊280wp有一塊組件被遮擋時(500W/M2)P-U和U-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(shù)學模型的推導。見圖1-22,1-23； 　　仿真3：小電流情況下負載（50Ω），2塊280wp有一塊組件被遮擋時(500W/M2)P-U和U-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(shù)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(xiàn)場測量的曲線。圖1-26,1-27 　　1.4.3多組件模塊復雜環(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）被復雜物體遮擋。局部溫度到達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個輻照度變量1個溫度變量。U-I曲線出現(xiàn)了3個明顯的局部膝點。P-U圖形出現(xiàn)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(jié)果可以看出全局最大功率為0.88KW，沒有遮擋情況下800W/M2，25℃時10塊280Wp的理論最大功率應(yīng)為2.25KW。計算出的功率損失61%。這一仿真結(jié)果符合工程實際情況。 　　小結(jié)：本章首先分析了熱斑效應(yīng)的原理，并從原理角度說明了熱斑效應(yīng)的產(chǎn)生和危害。并指出只有加強巡檢才能避免熱斑效應(yīng)。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(huán)境下的電池組件數(shù)學模型，并進行了MATLAB仿真并得到了符合工程實際的結(jié)果。該工程模型可以模擬復雜環(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。