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光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

通过剖析部分暗影条件下光伏 正弦波逆变器阵列旁路二极管和阻断二极管对其输出特性的不同影响,差异旁路和阻断二极管减小功率失配丢失的效果。
 
选用被证明适用于树立部分暗影条件下光伏 正弦波逆变器阵列电路模型的Matlab自带solar cell双二极管电路模型,替代构建杂乱的数学模型。光伏 正弦波逆变器电池短路电流随辐照度线性改变,旁路二极管不同装备方法对应光伏 正弦波逆变器阵列输出特性改变显着。光伏 正弦波逆变器电池开路电压随辐照度非线性改变且改变规模更小,堵塞二极管装备前后对应输出特性改变小。
 
光伏 正弦波逆变器阵列输出特性简单受到光伏 正弦波逆变器电池温度、太阳辐照度和负载等要素的影响[1]。电池是光伏 正弦波逆变器发电的最小单元,通过封装后构成组件,组件通过串并联衔接后构成光伏 正弦波逆变器阵列。部分暗影条件(partially shadedconditions,PSC)下,即使只要1个暗影电池也可能形成很多功率丢失[2]。
 
PSC下为防止组件损坏和提高输出功率,装备旁路二极管和堵塞二极管。导致PSC下光伏 正弦波逆变器阵列的输出特性呈现多个功率峰值点,具有杂乱非线性特色[3]。剖析其输出特性,有助于研讨光伏 正弦波逆变器阵列旁路二极管装备、故障诊断和多峰值最大功率点盯梢算法等[4-8]。
 
PSC下光伏 正弦波逆变器阵列的仿真模型,与均匀光照时不同。PSC下光伏 正弦波逆变器阵列的分段函数拟合模型[9],工程用模型[10],依据基尔霍夫定律模型[11]等数学模型具有构建杂乱等缺陷。文献[12]利用电池单二极管模型剖析部分暗影条件下集中式光伏 正弦波逆变器阵列的输出特性,但未考虑堵塞二极管的影响。辐照度对电池短路电流和开路电压的影响不同,文献[13-14]未差异研讨旁路二极管和堵塞二极管对光伏 正弦波逆变器阵列输出特性的不同影响。
 
Matlab具有强壮的仿真核算才能,其自带的solar cell可表明电池双二极管电路模型,运用灵敏直观。本文以电池考虑雪崩击穿双二极管模型为规范,校验solar cell双二极管电路模型的伏安特性,证明solar cell适用于树立PSC下光伏 正弦波逆变器阵列电路模型。并仿真剖析PSC下旁路二极管和堵塞二极管对光伏 正弦波逆变器阵列输出特性的不同影响,差异旁路二极管和堵塞二极管减小功率失配丢失的效果。
 
1  solar cell的伏安特性

半导体材料因为光伏效应,在太阳光下产生载 流子,由于P-N结非对称,载流子移动到接触电极 进入外电路,实现光能到电能的转换。电池考虑雪崩击穿双二极管模型的数学方程如式1)所示,等 效电路如图1所示[11]。

W -1]-

Ocl +/Ci-Rs

(1)/v =a〇7d +/cli〇(l ?'+/diVv (2)-

Ucb式中,/d为电池电流;t/d为电池电压;iph为电池短 路电流;/sl和/s2为流过2个二极管的反向饱和电流; 尾为电池的等效串联电阻;i?Sh为电池的等效并联电 阻;q为电子电量,1.6X10_19C; A1和A2为二极 管理想常数;T为电池绝对温度;K为波尔兹曼常 数,1.38X10_23J/K; 为雪崩击穿电压;a和v为

雪崩击穿常数;为反向电压下的雪崩击穿电流。p 由式(1)可得电池的电流方程如式(3)所示

q(^Wd^s)

/(/d)=/ph-/cl-/sl[e A>Kr -1]-

表1 光伏 正弦波逆变器电池参数
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用 
图1 电池考虑雪崩击穿双二极管模型的等效电路
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用
 

非线性方程式(3)通常采用牛顿法求解。首先, 对f(/d)求导:v

q(D-d+Jcl^) q(D-d+Jd^)

fV ) = _W% A,Kr _qM a2K7 cl AXKT A2KT

-^-\-aRs(\--V("cl+/cli?s) ) (4)

矣 h ^cl+^cl^s-^b

图2 牛顿法核算电池考虑雪崩击穿双二极管模型伏安特性曲线的流程图
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用 
图2是牛顿法核算电池考虑雪崩击穿双二极管模型伏安特性曲线的流程图。电池参数如表1所示,S为辐照度。仿真比较两者的伏安特性,成果如图3所示。
电池是1个PN结,但太阳光照耀时能够输出电流。如图3所示,其伏安特性与一般二极管不同,接受反向电压时,Icl最小坚持为5 A。Ucl<-10 V时式(1)的Icl敏捷上升,耗费功率过大超过散热才能时,呈现导致电池损坏的热斑效应。-10V<ucl<0 v时,两者的伏安特性相似。因此接受-10="" v~0="" v反向电压或无需准确核算充当负载耗费的功率时,solar="" cell可作为psc下光伏="" 正弦波逆变器组件及阵列电路模型的电池模型。  
图3  solar cell双二极管电路模型和式(1)考虑雪崩击穿双二极管模型的伏安特性比较
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

如图4所示,Ie表明两者的伏安特性差值。因为solar cell双二极管电路模型不考虑雪崩击穿,Ucl<0 V时两者之间呈现差值的原因是表明雪崩击穿电流的Iv。Ucl>0 V时Iv的值虽然很小,在实际运用中仍需留意。
 
图4  solar cell双二极管电路模型和式(1)考虑雪崩击穿双二极管模型的伏安特性差值及Iv影响
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用 
2  旁路二极管和堵塞二极管装备
2.1  旁路二极管

/ph随辐照度和电池温度变化,如式(6)所示。
标准测试环境下,标准电池温度7W为25 °C,标准辐照度 5^为 1000 W/m2。

7ph=/sc0[l + 7-t(r-7-ref)]S/5Kf (6) -_

式中:/MC为电池标准测试环境下的短路电流;;Tt为温度系数。v

PSC下无阴影电池正常发电,阴影电池最大输出电流小于与其串联电池的工作电流,具有负载特性。阴影电池消耗过多能量导致组件局部过热,温度过高时电池发生不可逆损坏,称为热斑效应。电池损坏使得光伏阵列无法正常发电,甚至烧毁。为避免热斑效应,为w个串联电池并联1个旁路二极管。满足式(7)时旁路二极管导通,减小阴影电池的能量损失,并保证无阴影电池正常发电。式中:为旁路二极管的正向导通压降,个串联电池的实际工作电压。

值越大,旁路二极管防止热斑效应效果越差。 考虑只有1个电池受PSC影响,其反向电压采用 c/cs表示,其他电池的电压取开路电压,重写式 (7)如式(8)所示。为避免电池损坏,应保证 小于Mb,取安全系数为0.8。计算1个旁路二极管 并联最大电池个数《>^的公式,如式

2.2  堵塞二极管

PSC下暗影电池的Ucoc减小。受PSC影响支路开路电压小于光伏 正弦波逆变器阵列作业电压时,并联的其他正常支路电流流入此支路,呈现电流环流现象。为防止电流环流现象损坏组件,支路串联阻断二极管,供给电压补偿,使得暗影支路电压等于光伏 正弦波逆变器阵列作业电压。
3  仿真验证
3.1  光伏 正弦波逆变器阵列电路模型及参数设置 
仿真选用36个电池串联组成组件,9个光伏 正弦波逆变器组件串并联组成3×3光伏 正弦波逆变器阵列,npb为并联的支路编号,如图5所示。图5(a)中1个旁路二极管并联m个电池组成发电单元,nsu为各发电单元的编号。电池参数如表1所示。
出于简化考虑,设置旁路二极管和堵塞二极管的特性如下:旁路二极管的正向电阻忽略不计,反向电阻近似无穷大。堵塞二极管正向压降和电阻忽略不计,反向电阻近似无穷大。
3.2  旁路二极管的影响和效果
(a)组件(m×nsu=36)
(b)3×3光伏 正弦波逆变器阵列
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用 
图5 仿真光伏 正弦波逆变器组件和阵列
 
本文Ucoc=0.630 V,Upd=0.7 V,Ucb=-25 V,依照式(9)求得1个旁路二极管能够并联的最大电池个数mmax为32。因为m越小,旁路二极管数目越多,功率峰值点个数越多,光伏 正弦波逆变器阵列输出特性越杂乱。需求研讨旁路二极管最优装备计划,断定m的最优值。选用Im表明组件电流,Um表明组件电压,Pm表明组件功率。仿真剖析不同暗影散布下,旁路二极管对如图5(a)所示组件输出特性的影响。
 
假定1个组件只要2个辐照度不同的暗影电池,比较m=12和m=18时旁路二极管减小功率丢失的效果。m=12时,1个辐照度为200 W/m2的暗影电池在发电单元1,1个辐照度为400 W/m2的暗影电池在发电单元2。
 
m=18时分两种工况:1)辐照度分别为200 W/m2和400 W/m2的2个暗影电池均在发电单元1。2) 1个辐照度为200 W/m2的暗影电池在发电单元1,1个辐照度为400 W/m2的暗影电池在发电单元2。 
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

 图6 不同暗影散布下组件输出特性

仿真成果如图6所示。m=18,2个暗影电池均在发电单元1时,16个无暗影电池无法发电,最大输出功率为42.841 W。发电单元1的旁路二极管效果供给补偿电流。m=12,2个暗影电池分别在发电单元1和发电单元2时,11个无暗影电池无法发电,23个无暗影电池小于其发电才能发电。最大输出功率为27.432 W,发电单元1的旁路二极管效果供给补偿电流。
 
不是m越小,旁路二极管减小功率丢失的效果越好,还与暗影散布有关。m越大,暗影电池处于同一发电单元的可能性越大。需求依据详细PSC断定旁路二极管最优装备计划,但怎么选取详细PSC及相应核算方法尚有待研讨。
 
3.3  堵塞二极管的影响和效果
如图5(b)所示3×3光伏 正弦波逆变器阵列,整个支路1受暗影影响,暗影辐照度为200 W/m2。支路2和支路3均不受暗影影响,辐照度为1000 W/m2。选用Ia表明光伏 正弦波逆变器阵列电流,Ua表明光伏 正弦波逆变器阵列电压,Pa表明光伏 正弦波逆变器阵列功率,Ix表明支路电流,Px表明支路功率。仿真比较串联堵塞二极管前后光伏 正弦波逆变器阵列输出特性,证明堵塞二极管对光伏 正弦波逆变器阵列输出特性的影响比旁路二极管更小,成果如图7和图8所示。
 
暗影支路1的开路电压只要62.971 V,小于正常支路的67.592 V。串联堵塞二极管前,光伏 正弦波逆变器阵列的作业电压大于62.971 V后,暗影支路1的电流变为负值,呈现电流环流现象。支路2和支路3正常发电,如图7(a)所示。
 
选用受控电压源模仿电网,暗影支路1耗费功率大于支路2和支路3的发电功率时,受控电压源为其供给功率。暗影支路1耗费功率最大为-15.685 W,如图7(b)所示。 
(a)电流-电压特性曲线
(b)功率-电压特性曲线
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

图7 串联堵塞二极管前的光伏 正弦波逆变器阵列输出特性 
(a)电流-电压特性曲线
(b)功率-电压特性曲线
光伏正弦波逆变器旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

图8 串联堵塞二极管后的光伏 正弦波逆变器阵列输出特性
串联堵塞二极管后,暗影支路1在光伏 正弦波逆变器阵列的作业电压大于62.971 V后,其堵塞二极管截止,供给电压补偿。此刻,暗影支路1的电流坚持为0 A,如图8(a)所示。电池开路电压与辐照度的关系为非线性,与电池短路电流随辐照度线性改变不同,电池开路电压受辐照度改变影响更小,如式(10)所示。 
因为暗影支路开路电压减小,串联堵塞二极管也会形成光伏 正弦波逆变器阵列的输出特性呈现多个功率峰值点。堵塞二极管形成的功率峰值点不显着,并在最大功率峰值点右侧,如图8(b)所示。对比旁路二极管在只要1个暗影电池时,就效果供给补偿电流。暗影辐照度很小或串联支路暗影电池个数很多,暗影串联支路开路电压小于最大功率峰值点电压时,堵塞二极管才效果供给补偿电压。
 
4  定论
暗影电池只接受较小反向电压或无需核算反向耗费的功率时,Matlab自带的solar cell适用于树立PSC下光伏 正弦波逆变器组件及阵列的电路模型。仿真成果表明旁路二极管的数目对功率峰值点的影响和暗影散布相同重要,对输出特性影响显着。
 
堵塞二极管形成的功率峰值点不显着,其对光伏 正弦波逆变器阵列输出特性的影响比旁路二极管更小。PSC下光伏 正弦波逆变器阵列正常作业时,暗影电池的旁路二极管需效果供给补偿电流,堵塞二极管是否效果供给补偿电压取决于暗影辐照度和光伏 正弦波逆变器阵列拓扑。

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