在具有不同配置的旁路二极管在光伏系统中阴影的影响外文翻译资料

Influence of the shadows in photovoltaic systems with different configurations of bypass diodes

Abstract—The IU characteristic curve of a photovoltaic module is affected by shadows, depending on the shaded area of the PV module, and the radiation received by the shaded areas. Another factor in the shape of the I-V curve of a PV module is the configuration of the electrical connection between its cells and bypass diodes. Bypass diodes are installed in the modules to prevent power consumption when they are shaded or damaged; they also prevent cells from working near the avalanche zone.

This paper examines the performance of a photovoltaic array. A PV array consists of modules connected between them. Particularly, the configuration with bypass diodes overlapped is analysed, showing that totally or partially shaded modules can consume some of the power generated by other modules of the PV array. This effect is also present in low power PV arrays. In these cases, the power dissipated by a diode is small; but if there are many diodes, the power dissipated by all the diodes can be comparable with the power produced by various PV modules. Additionally, this article deals with the influence of the inverter in the MPP tracking.

1. INTRODUCTION

One of the main causes of losses in energy generation within photovoltaic systems is the partial shading on photovoltaic (PV modules). These PV modules are composed of photovoltaic cells (PV cells) serial or parallel connected, with diodes included in different configurations. The curve of a PV cell varies depending on the radiation received and its temperature. Furthermore, the modules have diodes that allow the current flows through an alternative path, when enough cells are shaded or damaged. There are two typical configurations of bypass diodes: overlapped (Fig. 1a) and no-overlapped (Fig. 1b). It should be noted that the analysis in modules with overlapped diodes is a more complex one, because there may be different paths for current flow.

There exist many papers containing the analysis of the behaviour of the photovoltaic PV cells under partial shadowing, taking into account the diode. But there are only a few that actually take into account the importance of the diodes configuration. This article studies the individual behaviour of a PV module and a photovoltaic array of PV modules (PV array) connected to an inverter with shadows in both cases.

(a)

(b)

Fig. 1 Bypass diodes (a) overlapped (b) no-overlapped

1. DEVELOPMENT
2. Behaviour of a PV cell

So as to analyse the behaviour of a module partially shaded, it is necessary to know:

• the curve of the cells forward and reverse biased Fig. 2
• the curve of the cells in terms of radiation Fig. 3
• the curve of the bypass diodes

Fig. 2 Curves of a cell forward and reverse biased PV cell for 0

Fig. 3 Curves of a PV cell for different solar radiations

1. Behaviour of a PV cell array

When shadows are casted over a PV module, the behaviour of a PV cell in its reverse zone (negative voltage) must be taken into consideration, since the shaded PV cells can be reverse biased: Fig. 4a shows that for a current of 2A a sunny cell has a voltage of 0.55 V, whereas a shaded one has -5.5 V. If the bypass diode is in parallel with 12 PV cells serial-connected, one of them shaded, the group voltage will be 1.1 V (Fig. 4.b) and, therefore, the diode will not conduct because itrsquo;s reverse biased. By contrast, for current values greater than 3A, the group voltage will be negative, and the currents will flow through the diode because it is forward biased.

Fig. 4 Curves of individual sunny and shaded cells (a) and curves of 12 sunny (1000) serial cells and 11 sunny and 1 shaded (100) serial cells (b)

1. Behaviour of a PV module

A PV module is made of PV cell arrays, with bypass diodes connected in parallel. The connection setup determines the I-V curve of the PV module when shadows are casted.

In the present paper, a PV module consists of 72 PV cells, distributed in 6 rows of 12 PV cells each row, with the configurations:

1. Overlapped bypass diodes
2. No-overlapped bypass diodes
3. Overlapped bypass diodes

In the first analysed configuration, each module consists of 72 solar cells connected in overlapped bypass (Fig. 5).

(a)

(b)

Fig. 5 Photovoltaic module (a) physical distribution (b) electrical scheme with overlapped diodes

I-V and P-V curves of the PV module for solar radiations of 1000 and 100are plotted in Fig. 6. When the PV module is shaded, its negative voltage in the working point can be 1/3 of its open-circuit voltage, and the power consumed can exceed 1/3 of the PV module peak power.

Fig. 6 I-V and P-V curves of a PV module with overlapped bypass diodes

In order to study the typical behaviour of the PV module, a simulation of progressive shading will be made from the bottom PV cell row to the top one. This is a practical approach, since at sunrises and sunsets can occur situations where the PV module has the same shading as the simulated ones. There are three possible paths for the most of electrical current (Fig. 7). The path depends on the diodes forward biased, and the diode biased depends on the PV cells shaded. When both diodes are forward biased, the modules of the two central series are the responsible for a notable power draining. Each of these paths is a point of the I-V and P-V curves (Fig. 8).

Fig. 7 Electrical current in PV modules with overlapped bypass diodes

Fig. 8 I-V and P-V curves of a PV module with overlapped bypass diodes progressively shaded

1. No-overlapped bypass diodes

In the second

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在具有不同配置的旁路二极管在光伏系统中阴影的影响

摘 要

光伏模块的IU特性曲线受阴影影响，取决于PV模块的阴影区域和阴影区域接收的辐射。 PV模块的I-V曲线的形状的另一个因素是其单元和旁路二极管之间的电连接的配置。旁路二极管安装在模块中，以防止其在阴影或损坏时的功耗;它们还防止电池在雪崩区附近工作。

本文考察了光伏阵列的性能。 PV阵列由连接在它们之间的模块组成。特别地，分析具有重叠的旁路二极管的配置，展示出了完全或部分遮蔽的模块可以消耗由PV阵列的其他模块产生的一些功率。这种效应也存在于低功率光伏阵列中。在这些情况下，二极管消耗的功率很小;但是如果存在许多二极管，则由所有二极管消耗的功率可以与由各种PV模块产生的功率相当。此外，本文介绍了逆变器在MPP跟踪中的影响。

1. 介绍

光伏系统中的能量产生损失的主要原因之一是光伏（PV模块）的部分遮蔽。这些PV模块由串联或并联连接的光伏电池（PV电池）组成，其中二极管包括在不同的配置中。 PV电池的曲线根据所接收的辐射及其温度而变化。此外，当足够的单元被遮蔽或损坏时，模块具有允许电流流过替代路径的二极管。有两种典型的旁路二极管配置：重叠（图1a）和无重叠（图1b）。应当注意，具有重叠二极管的模块中的分析是更复杂的，因为对于电流流动可能存在不同的路径。

在许多论文中，包含在部分阴影下的光伏PV电池的特性的分析，考虑二极管。但是只有少数实际考虑了二极管配置的重要性。本文研究了PV模块和连接到逆变器的PV模块（PV阵列）的光伏阵列在这两种情况下的阴影的个体特性。

(a)

(b)

图1 旁路二极管（a）重叠（b）无重叠

1. 发展
2. 光伏电池的特性

为了分析部分阴影的模块的特性，有必要知道：

• • 元件的曲线正向和反向偏压如图2
  • 元件在辐射方面的曲线如图3
  • 旁路二极管的曲线

图2 在光伏电池为0 时的元件正向和反向偏置曲线

图3 不同太阳辐射的PV电池的曲线

1. PV电池阵列的特性

当阴影投射在PV模块上时，必须考虑PV电池在其反向区域（负电压）的特性，因为被遮蔽的PV电池可以被反向偏置:图4a示出了对于2A的电流，晴天单元具有0.55V的电压，而阴影单元具有-5.5V。如果旁路二极管与串联连接的12个PV单元并联，其中一个阴影，则组电压 将为1.1V（图4.b），因此，二极管将不导通，因为其反向偏置。相比之下，对于大于3A的电流值，组电压将为负，并且电流将流过二极管，因为其是正向偏置的。

图4 单个阳光和阴影单元的曲线（a）和12个阳光（1000）串联电池和11个阳光和1个阴影（100）（b）

1. PV模块的特性

PV模块由PV电池阵列制成，其中旁路二极管并联连接。连接设置决定投射阴影时PV模块的I-V曲线。

在本文中，PV模块由72个PV电池组成，每个行分布在6行12个PV电池中，具有以下配置：

1）重叠旁路二极管

2）无重叠旁路二极管

1）重叠旁路二极管

在第一个分析配置中，每个模块由以重叠旁路连接的72个太阳能电池组成（如图5）。

(a)

(b)

图5 光伏模块（a）物理分布（b）具有重叠二极管的电路图

用于1000和100的太阳辐射的PV模块的I-V和P-V曲线绘制在图6中。当PV模块被遮蔽时，其工作点中的负电压可以是其开路电压的1/3，并且所消耗的功率可以超过PV模块峰值功率的1/3。

图6 具有重叠旁路二极管的PV模块的I-V和P-V曲线

为了研究PV模块的典型特性，将从底部PV电池行到顶部PV电池行进行渐进遮蔽的模拟。这是一种实用的方法，因为在日出和日落可能发生的情况下，PV模块具有与模拟的相同的阴影。对于大多数电流存在三种可能的路径（如图7）。该路径取决于二极管正向偏置，并且二极管偏置取决于阴影的PV电池。当两个二极管都被正向偏置时，两个中央系列的模块负责显着的功率消耗。这些路径中的每一个是I-V和P-V曲线的点（如图8）。

图7 具有重叠旁路二极管的PV模块中的电流

图8 具有重叠旁路二极管的PV模块的I-V和P-V曲线逐渐阴影

2）无重叠旁路二极管

在第二分析配置中，PV模块具有不重叠的旁路二极管，但是其具有相同的PV电池的物理分布。在这种情况下，电路由3个系列组成，每个具有24个PV电池。每个系列都有一个旁路二极管（如图9）。由于这种配置，PV阵列的IV曲线具有具有相同峰值功率的重叠二极管的PV模块的开路电压和半短路电流的两倍。此外，当PV模块被反向偏置时，其电压和其功耗小于前述情况。然而，当产生的功率低时，由于正向偏置二极管的功率消耗（3.9瓦/二极管），这种消耗可能是可评估的。

(a)

(b)

图9 具有非重叠旁路二极管的PV模块（a）物理分布（b）电气方案

在这种情况下，可能的电流路径的数量较高（如图10），但是I-V和P-V曲线的数量较低（如图11）。

图10 没有重叠旁路二极管的PV模块中的电流流动

图11 具有无重叠旁路二极管的PV模块的I-V和P-V曲线逐渐阴影

1. 光伏阵列的特性

在没有阴影的PV阵列中，没有退化的PV模块，所有PV模块具有相同的MPP。但是当一些PV模块完全或部分遮蔽时，PV阵列的I-V曲线改变，因此，每个PV模块的MPP可以不同。这将产生能量损失。由PV模块上的阴影引起的能量损失不与阴影的面积成比例，其可以高得多。光伏阵列中的损耗将基本上取决于：

• • 旁路二极管的配置
  • 直流侧的逆变器电压限制
  • 模块的布局
  • 电气配置

该分析将考虑由20个PV模块组成的PV阵列，其中11个下部行被阴影化（如图12）。阳光电池用1000照射，阴影电池用100照射（如图13）。

(a)

(b)

图12 光伏阵列（a）照片（b）电路图

图13 PV模块部分阴影

研究了三种光伏阵列配置：

• 配置A：20个串联连接的PV模块，具有重叠二极管
• 配置B：20个串联连接的PV模块，无重叠二极管
• 配置C：2个并联连接的10个具有无重叠二极管的PV模块

由PV阵列的工作点由每个PV模块产生的功率的演算在图14中示出。右列中的曲线是PV阵列的I-V和P-V曲线：虚线是无阴影PV阵列的曲线，而实线一是当前示例的曲线。左边的曲线是它们的PV模块的曲线：蓝色的是用于没有阴影的PV模块，红色是用于部分遮蔽的PV模块，绿色的（虚线或实线）是用于完全遮蔽的PV模块。结果在表I中详细描述，其中功率（P）的负值表示功耗。

表I 光伏阵列和PV模块的工作点的功率

PV阵列				PV模块
配置	P(w)	无阴影		局部阴影		全部阴影
		nordm;	P(w)	nordm;	P(w)	nordm;	P(w)
A	784.9	12	103.7	4	-58.5	4	-56.3
B	1164	12	104.9	4	-11.82	4	-11.82
C	1164	12	104.9	4	-11.80	4	-11.80

配置A

配置B

配置C

图14 PV模块（左列）和PV阵列（右列）的PV和I-V曲线

已经进行了类似于前面部分的仿真，目的是分析日出和日落时PV阵列的特性。图15示出阴影的PV电池的完整行的PV阵列的I-V和P-V曲线。PV模块的布局具有30行PV电池。

因此，将计算31种情况：

• 情况0：没有阴影单元格
• 情况1：第一行单元格有阴影
• 情况2：第一行和第二行单元格有阴影
• hellip;hellip;
• 情况29：除顶部行以外的所有行都有阴影
• 情况30：所有行都有阴影

配置A

配置B

配置C

图15 PV阵列逐渐阴影的I-V和P-V曲线

每种情况由曲线表示; 它似乎有更少的曲线比有多少情况。这是因为一些曲线太近，并且不能清楚地区分。突出的曲线表示图12的情况，其中安装底部的前11行被遮蔽（情况11）。

灰色区域表示所选逆变器不能工作的位置，因此，如果MPP在此区域中，则变频器无法实现。所选逆变器的配置A和配置C的工作电压范围为150 V至400 V; 300 V至800 V，用于配置。圆圈表示每种情况的MPP（最大功率点）。

1. 变频器的极限

连接到PV阵列的逆变器由于其电压工作范围和跟踪MPP算法而不能总是实现MPP。参考图16，其中示出了情况17的P-V曲线，存在逆变器可以认为其具有MPP的四种类型的点。变频器只能工作在其中三个情况。绝对最大值超出其工作电压范围。

图16 P-V曲线的最大和局部功率点

图17示出了不同类型的MPP与针对不同配置的PV阵列中阴影的下行的数量。在检查中，在配置A中，功率损耗可以达到40％，而在配置B和C中，损耗是20％。此外，如果在配置A中12行阴影，在配置B中20行和在C中16个，则产生相同的功率。换句话说，具有旁路二极管（配置A）的PV阵列更容易失去功率，这是由于 他们的PV模块的阴影。

图18示出了在三个PV阵列配置中实现的绝对MPP。配置B和配置C的相似性是显而易见的。

配置A

配置B

配置C

图17 MPP的光伏阵列的底部行数的函数阴影

图18 在底部行的阴影中的光伏阵列的最大MPP

1. 结论

已经进行了对具有不同配置的其旁路二极管的隔离PV模块和PV阵列的特性的研究。已经证明，由阴影产生的损耗取决于PV模块的旁路二极管配置。

具有重叠二极管的PV模块中的功率损耗可以是其峰值功率的三分之一，因为除了旁路二极管之外，其三分之一的PV电池也可以消耗功率。在没有重叠旁路二极管的PV模块中，功率损耗仅由二极管的功耗产生; 无论如何，只有太多的旁路二极管和阴影的PV模块才会显而易见。

1. 克服光伏系统阴影效应的介绍

IEA最近的预测（2014年）表明，电力是增长最快的最终形状的能源，全球需求增加。对可再生能源的兴趣正在增长，因为越来越多的人致力于建立一个“更环保”和更节能的可持续未来，满足电力需求。太阳能，风能，水能，地热能，潮汐能和生物质能可以从可再生能源中获得，用于创造未来。太阳能是丰富的，如在中所述“在一小时内击中地球表面的太阳能大约与一年中所有人类活动消耗的量相同”。由于太阳光可以通过利用光伏效应，形成了满足太阳能发电需求的整个市场。自2000年以来，这个全球太阳能光伏（PV）市场经历了十多年的蓬勃发展，年平均增长率为40％，具有持续的长期增长潜力。跟踪记录的光伏装置，IEA发现，累计安装的光伏发电容量从1992年的0.1GW增加到2008年的14GW。此外，自2010年以来，世界已经增加了更多的太阳能光伏（PV）前四十年。在2014年初，全球总容量超过了150吉瓦（GW）。今天，光伏电力提供了全世界总发电量的0.1％。虽然这

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