基于Matlab的光伏陣列全局重構系統的研究

王志剛， 姚秀萍

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830000)

基于Matlab的光伏陣列全局重構系統的研究

王志剛1， 姚秀萍2

(1.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊830046；2.新疆電力公司，新疆烏魯木齊 830000)

針對光伏列陣不同陰影分布情況下，光伏列陣的輸出功率具有波動性。在Matalb中，建立光伏陣列物理機制模型，并且對光伏陣列在不同的陰影分布情況下的輸出功率進行仿真。根據光伏陣列陰影分布最優原則，建立一種交叉開關矩陣電路對光伏陣列的結構進行重新構造。編寫矩陣開關驅動模塊程序，對開關矩陣開關進行控制。在仿真結果的基礎上，對比安裝和非安裝系統的光伏陣列輸出特性，證實系統的可靠性。

全局重構；Matlab；交叉矩陣開關；陰影

光伏陣列的陰影問題，一直是光伏研究的熱點。光伏列陣由于容易受到受到周圍建筑物、樹木、電線桿和空中云的影響，導致模組的特性變差，能量輸出能力降低，甚至形成熱斑，損壞模組[1]。

本文針對光伏陣列在陰影環境下，輸出能力降低的問題,設計了一種光伏陣列的全局重構系統，用于改變和優化光伏陣列的結構以提高輸出功率[2]。先在Matlab里建立了基礎光伏組件電路等效的物理機制光伏組件數學模型。然后通過實驗確定了光伏陣列的陰影最優分布情況，根據陰影分布情況，通過交叉矩陣開關合理分配光伏組件在陣列中的位置，從而使陰影在光伏陣列中均勻分布。使光伏陣列在同等陰影下輸出最大的輸出功率。與文獻[3]的局部重構系統相比，全局重構系統不用加入補償的光伏組件，節約了成本。

1 全局重構系統

1.1 全局重構系統工作原理

光伏陣列在工作中，受到云層、灰塵、樹蔭等陰影的影響，輸出功率具有一定的波動性。由于云層厚度、灰塵厚度等影響因素不同，陰影在陣列上的影響程度也不同。利用光伏陣列陰影的最優分布原理[4]，將不同陰影程度下的光伏組件進行最優化分配，從而達到陰影的最優分布，使光伏陣列達到陰影條件下的最大輸出功率。

全局重構系統包括測量模塊、矩陣開關和矩陣開關的驅動模塊。測量模塊通過采集光伏組件的輸出電壓與電流，進而計算光伏組件上的光照強度，通過和標準光照強度進行比較輸出判斷信號。矩陣開關通過開端方式的不同組合，將光伏組件位置進行重新分配，從而達到陰影的最優分布。矩陣開關驅動模塊，通過對測量模塊的判斷信號的采集和分析，輸出不同組合的開關驅動信號，控制矩陣開關的開端。

1.2 全局重構系統的建模

1.2.1光伏陣列的建模

太陽能光伏電池利用光生輻打效應產生光生電流。光伏電池的等效電路如圖1所示[5]。

根據光伏電池的內部結構和和電流特性，建立光伏電池數學模型的公式[6]表示如下：

圖1 電池等效電路圖

采用Solarex MSX 60 W電池組件的參數建立模型。電池組件參數如表1所示。

表1 電池組件Solarex MSX 60 W參數

實際應用中，將單體電池串并聯，得到所需輸出電壓和電流。輸出特性方程：

本文所建立的電池模型，并聯數為1，串聯數為36，帶入式(4)可得：

由公式(1)～(6)，在Matlab Simulink里搭建電池組件物理模型，得到為1 000,800,600 W/m2，=298 K電池組件的輸出特性如圖2和圖3所示。

圖2 U-I特性曲線

圖3 U-P特性曲線

1.2.2測量模塊的建模

測量模塊用于采集光伏組件輸出的電壓和電流，從而計算得到光伏子模塊上的輻照度。將子模塊上的輻照度和標準光照相互比較。當子標準輻照度等于或者小于子模塊的當前輻照度，測量模塊判斷為無陰影或更強光照，測量模塊輸出數字信號0；當標準輻照度小于子模塊當前輻照度，測量模塊判斷為陰影，測量模塊輸出數字信號1。子模塊輻照度和陰影判斷計算公式[3]如下：

基于公式(7)(8)在Matlab Simulink里搭建測量模塊。

1.3 交叉矩陣開關和驅動模塊的建模

1.3.1交叉矩陣開關的建模

基于傳統的矩陣開關，設計了一種更為簡單的交叉矩陣開關。此種矩陣子模塊由4個IGBT組成，通過控制4個IGBT的開關，實現4個光伏子模塊的兩兩不同組合方式，從而實現陰影模塊的最優分布目的。交叉矩陣開關電路圖如圖4所示。

圖4 交叉矩陣開關電路圖

1.3.2驅動模塊的建模

本文建立了簡單的2×2光伏陣列。通過實驗得到了光伏陣列的陰影最優分布情況，如表2所示。

依據實驗數據，可得到該光伏陣列的所有最優分布情況。根據最優分布情況，在Matlab里利用S-function模塊，編寫驅動程序。程序流程圖如圖5所示。

表2 光伏陣列陰影分布

1.3.3 全局重構系統的建模

將光伏組件、測量模塊、交叉矩陣開關和矩陣開關的驅動模塊在Matlab中進行全局重構系統的建模。全局重構系統電路圖如圖6所示。

圖6 光伏陣列全局構造系統模型

2 全局重構系統對輸出特性的影響

分別對安裝和非安裝全局重構系統，陰影數為2的光伏陣列進行仿真實驗。通過不斷調整負載數值，得到2組光伏陣列的輸出電流和電壓對數據，從而可以計算光伏陣列輸出功率。對數據進行擬合[7]得到重構系統的U-P曲線。光伏陣列的U-P擬合曲線如圖7所示。

從圖7可以看出安裝全局重構系統的光伏陣列輸出的最大功率比沒有安裝系統的光伏陣列的最大功率提升了4.5%。在實際應用中可由最大功率點跟蹤(MPPT)系統完成最大功率的輸出。

圖7 光伏陣列U-P擬合曲線

3 結論

光伏陣列在實際運行中，受到陰影的影響，光伏陣列輸出的最大功率從而受到影響。本文為了追求同等陰影程度下，光伏陣列的最大輸出功率，根據陰影的最優分布原理，在Matlab中，設計2×2光伏陣列的全局重構系統，使陰影實現了最優分布，最大輸出功率得到了提升。

實際應用中，光伏陣列的階數更多，且陰影布局更為復雜，但是更高階數的光伏陣列在最優陰影分布下的最大輸出功率提升效果更為顯著。而且交叉矩陣開關可以將陣列分為許多2×2階的子模塊，從而為陰影的重構提供了便利條件，為工程實踐中光伏陣列在陰影下最大功率的提升提供了指導意義。

[1]王長貴，崔容強，周篁.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2]戚軍，張曉峰，張有兵，等.考慮陰影影響的光伏陣列仿真算法研究[J].中國電機工程學，2012,32(32):131.

[3]龐志超.局部陰影條件下基于模糊控制的光伏陣列重構系統的研究[D].天津：天津大學，2010.

[4]劉曉艷，祁新梅，鄭壽森，等.局部陰影條件下光伏陣列的建模分析[J].電網技術，2010,34(11)：194-195.

[5]杜慧.太陽能發電控制系統的研究[D].北京：華北電力大學，2008.

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[7]何英蕾，付青，李湘峰，等.光伏陣列區域特性曲線擬合與預估算法研究[J].電測與儀表，2010,47(3):24-27.

Research on global reconfiguration system of photovoltaic arrays based on Matlab

The output power of pv array was undulatory under different distribution of shadow.Photovoltaic array physical mechanism model was set up based on Matlab.And the output power of pv array under different distribution of the shadows was simulated.According to the optimal distribution principle of the pv array shadow,a cross switch matrix circuit was established to reconstruct the structure of pv array.A matrix switch driver module procedure was wrote to control the switch matrix switch.Based on the results of simulation,installation system and the installation system of pv array's output characteristic were compared,and the reliability of system was verified.

global reconfiguration;Matlab;switch matrix switch;shadow

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0628-03

2015-08-19

王志剛(1990—)，男，河北省人，碩士生，主要研究方向為風電和光伏的電力系統分析及其控制。