旁路二极管对热斑效应的抑制效果仿真研究_张紫凡.pdf

1012023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏摘要：在光伏电池产业迅速发展的背景下，光伏电池板在阴影遮蔽时产生的热板效应也逐渐受到关注。本文首先分析了热板效应产生的原理，基于 PSCAD 仿真平台建立了光伏发电系统的等效模型，并根据工程实际选取合适的参数。继而对无阴影遮挡电池板和有阴影遮挡时的光伏电池板进行仿真研究，对比后分析得出加装旁路二极管对热斑效应的抑制效果。关键词：光伏发电；热斑效应；反并联二极管；PSCAD 仿真平台中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0101-07旁路二极管对热斑效应的抑制效果仿真研究Simulation Study on the Inhibition Effect of Bypass Diode on Hot Spot Effect张紫凡1,2，李龙霄1,2，陈志峰1，王玕1，李有济3，张荣海4（1.广州城市理工学院，广州 510800；2.华南理工大学，广州 510640；3.广东天联电力设计有限公司,广州 510700；4.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关 512026）ZHANG Zi-fan1,2,LI Long-xiao2,1,CHEN Zhi-feng1,WANG Gan1,LI You-ji3,ZHANG Rong-hai4(1.School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640;2.South China University of Technology,Guangzhou 510640;3.Guangdong Tianlian Electric Power Design Co.,Ltd.,Guangzhou 510663;4.Shaoguan Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Shaoguan 512026)A b s t r a c t：In the context of the rapid development of the photovoltaic cell industry,the hot plate effect generated by photovoltaic panels when shadows are obscured has also gradually attracted attention.In this paper,the principle of hot plate effect is first analyzed,the equivalent model of photovoltaic power generation system is established based on the PSCAD simulation platform,and the appropriate parameters are selected according to the actual project.Then,the simulation study of the non-shadow occlusion panel and the photovoltaic panel with shading occlusion was carried out,and the inhibition effect of the hot spot effect of the installed bypass diode was obtained after comparison.K e y w o r d s：photovoltaic power generation;hot spot effect;anti-parallel diodes;PSCAD simulation platform引言在能源危机以及“双碳”背景下，光伏发电由于其体积小、重量轻、结构简单、成本低等诸多优点，在各能源种类中发展迅速 1。随着民用化的普及，太阳能电池板常见于屋顶、阳台、天窗、墙体等等安装地点 2。这些安装地点常会出现光照不均匀的情况，出现局部遮支持项目：多种通信条件下变电站级水电微电网软硬件设备研究，项目编号：GDKJXM20200704。阴的现象，这个时候产生阴影的光伏电池对光伏系统输出的电压就会低于其他没有被阴影遮挡的光伏电池 3。此时被遮挡产生阴影的光伏电池就会消耗没有受到阴影遮挡的光伏电池的能量而出现发热的现象，称为热斑效应 4。若此时没有与其对应的预防措施或者应对措施，就会对整个光伏系统造成毁坏，还有可能因为光伏电池102环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT板局部温度过高而出现火灾。现有部分研究开始关注热斑效应，常规的热斑检测方法是人工手持红外热成像仪进行现场扫描，但由于成本问题，采集的数据变化受辐照影响较大，存在很大的不确定性。针对这一现状，有部分研究工作提出提出依靠机器视觉 6、脉冲神经网络 7、卷积神经网络 8 等智能算法 9 检测热斑效应，也可通过热成像 1 0、红外成像仪 1 1 等检测热斑效应。降低热斑效应的影响可通过改善光伏电池板的选址，如要求空旷、高处、没有遮挡物，且光伏阵列电池表面保持干净。改善光伏阵列内部的光伏电池的分布排放也可以适当的降低热斑效应 5。此外，为光伏电池加装反并联二极管以及加装串联电阻也是降低热斑效应的一种方法。串联电阻也附带了电能的损耗，加装并联二极管是一种较为有效的方法。本文将从功率消耗的角度分析反并联二极管抑制热斑效应的作用进行仿真分析。1热斑效应及其产生原理1.1 热斑效应产生的原理在光伏阵列的受光面被遮挡时，阴影部分的光伏电池对光伏系统输出的光生电流会弱于其他没有被阴影遮挡的光伏电池。阴影部分的光伏电池的电压出现负值，低于未遮挡部分的电压值，进而消耗正常光伏电池的电能。阴影遮挡后的光伏板的相当于等效电流源的缺失，可根据传统的光伏电池的等效电路得出阴影遮挡下的等效电路模型如图 1 所示。图 1 中的 Is c表示短路电流，开路电压用 V表示，最大功率点电流用 Im表示，最大功率点电压 Vm表示。对光伏电池板的发电原理分析可得光伏输出电流为：12=1exp(1)scocVI ICC V （1）其中12=(1-)exp(-)mmscocIVCIC V，12=(-1)ln(1-)mmococVICVI式中：T 实际温度；S 光照强度；Is c光伏组件的短路电流；Vo c开路电压；Im最大功率点处电流；Vm最大功率点处电压。以上各量表示如下：(1)ln()(1)(1 1)ln()(1)scscrefrefocscrefmmrefrefmmrefSIITSVVeb Sc TSIITSVVeb Sc T=+|=+|=+|=+|（2）refSSS=，refTTT=，在标准条件时，式中：screfI短路电流；mrefI最大功率点处电流用；mrefV最大功率点处电压；refT标准条件温度，=25refTC=2 5 ；refS标准光照强度，refS=1 0 0 0 W/m2；a、b、c常数，其中a=0.0 0 2 5/，b=0.5 m2/W，c=0.0 0 2 8 8/。得到输出电流方程：()12(1)1exp 1ln()1screfrefocrefSVIITCSC Veb Sc T=+（3）由于单体的内阻会发生改变，当光照消失时，二极管和电阻shR并联，二极管反向导通。二极管反向输出电流和电流的密度经过计算，如式（4）所示，以及阴影遮挡部分的发热量如式（5）所示。(1)DTuUDIKe=（4）(a)正常工作状态 图 1 光伏电池等效模型(b)阴影遮挡状态1032023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏式中：Du二极管两端的加压；TU在常温下取 2 6 m V；K一个微安级的常数。由热量公式2=Q I RT，=Q cm T，得到部分遮挡条件下单体的热量公式：11222=DDshshsQIR tIR tI R t+总，考虑到电路中反向流经二极管的电流忽略不计，得到：2sQAI tI R t+总 （4）式中：Q单体的发热量；A 由光伏板的性质可以推导出一个常数；I遮挡条件下的输出电流；sR电路模型中的串联电阻；t遮挡时间。图 2 设置旁路二极管的光伏电池的阵列1.2 旁路二极管抑制热斑效应的原理上文总结了热斑效应产生的原理，反向电流直接造成遮挡部分电池板的发热。光伏电池板加装旁路二极管，并为光伏电池回路串联阻塞二极管。在光伏电池受到阴影遮挡时，可将反向电流旁路，避免了热板效应的产生。，从而根源上抑制了热斑效应的产生。如图 2 所示并联在光伏电池的旁路二极管处于反偏的情况，这个时候对应的回路为不导通的状态。当与之并联的光伏电池被遮阴时，该旁路二极管就会受到正向导通的偏压。未遮挡部分的光伏电池产生的电流可以从旁路二极管用过，没有对被阴影遮挡的光伏电池产生危害，从而起到了保护的作用 1 2。对于旁路二极管的分布，在理想的情况下，在每一个光伏电池上都配备与之并联匹配的旁路二极管，在现实的工程中，如果每一个光伏电池都并联旁路二极管，光伏电池的制造费用就会增加，也可能会让光伏电池受到低温以及低光照的情况，使整一个系统的发电效率降低。从实际的角度，在一个光伏电池模块上并上一个旁路二极管，在与其对应回路加上对应阻塞二极管，保证该回路的安全性就可以了。2光伏电池板仿真模型及参数选择为研究旁路二极管对热板效应的抑制作用。在P S C A D软件中搭建等效的光伏发电的模型，如图 3 所图 3 光伏发电的仿真系统模型 104环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT示。该模型以光照强度和光伏板的温度作为输入量，包含滑动块、光伏电池、断路器、反并联二极管、光照及温度设置模块。其中 P V是光伏电池，滑动块方便调节对光伏电池的光照强度和光伏板的温度，获得不同参数的输出量结果，断路器用于说明旁路二极管的作用，它用于模拟连接和断开旁路二极管（实际安装中不存在断路器），光照及温度设置模块用于设置光照强度和温度。系统中的等效负载采用可变的受控电源来等效。用来模拟实际运行中的光伏系统的负载，让光伏电池能保持着持续的供电。对于搭建的光伏模型的主要参数如下表 1 所示，该光伏模型主要由串联的光伏模块二十五个以及十六个并联光伏的模块其中三十六个光伏电池串联及一个光伏模块名称参数设置光伏电源 PV1串联的光伏模块 1 个以及并联光伏的模块 1 个，每个光伏模块由 36 个光伏电池串联及 1 个光伏电池并联构成光伏电源 PV2串联的光伏模块 10 个以及并联光伏的模块 1 个，每个光伏模块由 36 个光伏电池串联及 1 个光伏电池并联构成滑动块滑动块环境影响的温度滑动块设定范围（055），而光照强度滑动块设定值范围（01500）W/m2，可变 RLC 元件设定为随着时间变化而跟着变化的电阻值 R最大功率点追踪器短路电流 0.160 0 kA，开路电压 0.833 8 kV表 1 光伏模型的主要参数(a)I-V 曲线图 4 不同光照强度光伏阵列曲线图(b)P-V 曲线电池并联构成一个光伏模块，滑动块的可变温度设置为（0 5 5）、可变的光照强度为（0 1 5 0 0）W/m2，最大功率点追踪器的短路电流为 0.1 6 0 0 k A，开路电压为0.8 3 3 8 k V。其具体的参数设置如表 1 所示。光伏阵列 1 和光伏阵列 2 的光伏电池阵列的参数设置中，光伏阵列 1 有一个光伏模块，单个模块的构成有串联的三十六个光伏电池。而光伏阵列 2 由十个光伏模块构成，每个模块的构成有串联的三十六个光伏电池。光伏阵列的额定光照强度为 1 0 0 0 W/m2，光伏阵列的光照温度为 2 5 。在不同光照强度下，光伏电池板的发电特性将在下文通过仿真手段进行分析。3阴影遮挡对光伏电池板的影响分析为了对比说明阴影遮挡对光伏发电的影响，应给出1052023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏光伏电池板在无遮挡条件下的发电特性。本文先开展正常情况下无阴影遮挡时，不同的光照强度下的 P-V、I-V特性曲线进行仿真分析。3.1无遮挡时光伏电池板的输出特性分析将仿真的环境温度设定为 2 5 ，光照强度以2 0 0 W/m2的光照强度为一个梯度，分别记录两个光伏电池板接受的光照强度均为 4 0 0 W/m2、6 0 0 W/m2、8 0 0 W/m2、1 0 0 0 W/m2时光伏电池板的发电特性。图 4 表示光伏阵列的 I-V曲线、P-V曲线图，可以观察到随着光照强度的增大，光伏系统的功率也随着增加，符合光伏电池发电特性。3.2有阴影遮挡时光伏电池板输出特性分析当光伏不同光伏电池板接受的光照强度不同时，即有阴影遮挡时光伏阵列的输出电流会弱于其他光照强度较高的电池板，继而产生热斑效应，其输出特性将会改变。本节对无改进措施条件下，光伏阵列在阴影遮挡条件下的输出特性进行仿真分析。仿真的环境温度设定为 2 5 ，光伏阵列 1 和光伏阵列 2 的光照强度参数如表 2 所示。不投入旁路二极管来研究阴影遮挡的条件下的光伏系统的输出特性。仿真的结果如下图所示，有阴影遮挡无并联二极管的光伏阵列的 I-V以及 P-V曲线图如图 5表示。通过以上仿真图可观察得到，随着光伏阵列 1 的阴影强度增强，光伏系统的输出电流、功率随着光照遮蔽的增强而不断的降低。造成这一现象的原因在于光伏阵列 1 存在反向电压，消耗了整个光伏系统的功率，消耗掉的能量转化为热能，产生热斑效应。若不增加保护措施，热斑效应进一步严重的话，将导致光伏系统“罢工”甚至烧毁。4旁路二极管对热斑效应的抑制作用分析上文分析了有阴影遮挡时，光伏系统的输出特性。为研究旁路二极管对热斑效应的抑制作用，在仿真模型中，加入旁路二极管。设置仿真参数，环境温度设定为序号光伏阵列 1光伏阵列 21800 W/m2800 W/m22720 W/m2800 W/m23560 W/m2800 W/m24400 W/m2800 W/m25240 W/m2800 W/m2表 2 光伏阵列 1、2 光照强度设置(a)I-V 曲线(b)P-V 曲线图 5 有阴影遮挡无并联二极管的光伏阵列曲线2 5 ，设置光伏阵列 1 和光伏阵列 2 的光照强度如表 3所示。观察有阴影遮挡有并联二极管的光伏阵列的输出特106环境技术/Environmental Technology技术专栏echnicalColumnT性，在不同光照遮蔽程度下，光伏阵列的 I-V曲线图和P-V曲线如图 6 所示。序号光伏阵列 1光伏阵列 21800 W/m2800 W/m22720 W/m2800 W/m23560 W/m2800 W/m24400 W/m2800 W/m25240 W/m2800 W/m2表 3 光伏阵列 1、2 光照强度设置(a)I-V 曲线(b)P-V 曲线(b)光照强度 50%(a)光照强度 30%图 6 有阴影遮挡有旁路二极管的光伏阵列曲线图 7 阴影遮挡时有无旁路二极管的 PV 特性曲线将本节工作和上一节内容做对比，可得出光伏系统在阴影遮挡时，旁路二极管对光伏系统热斑效应的抑制作用。图 5 和图 6 分别展示了光伏系统在有阴影遮挡情况下无旁路二极管和有旁路二极管的 I-V曲线。在无旁路二极管时，光伏系统随着光照遮蔽程度的增加输出电流逐渐下降。在同一电压值下，输出电流远小于有旁1072023 年 2 月/February 2023echnicalColumnT技术专栏路二极管时光伏电池板的输出电流值。在有旁路二极管时，当电压值上升到 0.2 k V以上时，曲线呈现下降的趋势，但在不同阴影遮挡的强度下，呈现出差异不大的阶梯状。为了对比说明在出现阴影遮挡时旁路二极管能够发挥的作用，设置光伏组件在光照强度为 5 0%和光照强度为 3 0%时，有旁路二极管和无旁路二极管时光伏组件输出 P V曲线和 I V曲线，如图 7 所示。由以上的仿真实验的结果对比可知，当光伏阵列出现阴影遮蔽后，光伏阵列存在反向并联二极管时向外输出的功率大于没有旁路二极管的光伏电池。在无旁路二极管的情况下，部分光伏阵列出现阴影遮蔽时，由于热斑效应的存在整体输出效率大大降低。加装旁路二极管可以极大降低被遮挡时所消耗的系统功率，很大程度上也避免了热斑效应的产生。5结论本文通过光伏电池系统的仿真模型，对比分析了光伏电池系统在有无光照遮蔽条件下的输出特性。并分析了在光照遮蔽条件下，加装旁路二极管对于热板效应的抑制作用。仿真结果证明。加装旁路二极管可以极大降低被遮挡时所消耗的系统功率，很大程度上也避免了热斑效应的产生。除了加装旁路二极管为，抑制热斑效应还可以采用以下措施：尽量选用电性能相一致的电池片，避免正常情况下产生热斑效应；与旁路二极管并联的电池串电池数量不能太多，否则施加在遮挡电池片上的反向电压太大，导致电池被热击穿；尽量提高电池的并联电阻，减少电池反向电流，否则容易使旁路二极管失去保护作用；优先选用启动电压较低的肖特基二极管，当组件被遮挡时二极管更早启动，尽量降低组件热斑效应 1 3。作者简介:张紫凡（1987-），女，副教授，主要研究方向为为直流微网运行与控制。1 肖瑶,钮文泽,魏高升,等.太阳能光伏/光热技术研究现状与发展趋势综述 J.发电技术,2022,43(3):392-404.2 江华.2019 年光伏设备产业发展情况综述 J.太阳能,2020(7):10-18.3 时珉,尹瑞,姜卫同,等.分布式光伏灵活并网集群调控技术综述J.电测与仪表,2021,58(12):1-9.4 肖翔,刘旭,贺子尧.影响分布式光伏电站运行的因素及对策 J.农村电工,2019,27(12):34-35.5 程泽,李兵峰,刘力,等.一种新型结构的光伏阵列故障检测方法J.电子测量与仪器学报,2010,24(2):131-136.6 夏永红,周玲.无人机红外热斑检测在光伏电站中的应用以某大型光伏电站为例 J.光源与照明,2022(3):83-85.7 刘海波,吴亦凡,徐小奇,等.基于脉冲神经网络光伏电站热斑故障预测 J.电源技术,2022,46(6):680-683.8 王奇,任一峰,王璐.小型光伏热斑的全卷积网络模型检测 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