光伏陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計及驗證方法的研究*

王靜 劉佳尉 汪婷婷

摘 要：文章對光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計理論方法進行了分析研究，并以實際算例通過計算機模型仿真分析及搭建物理實驗平臺的方法，對極端低溫下不同輻照度時的陣列開路電壓進行了仿真模擬，驗證了陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計方法的正確性與合理性。另外通過模型仿真及模擬實驗得到的組件開路電壓值比理論計算稍偏低，可知理論計算得出的最大陣列串聯(lián)數(shù)偏于保守，因此工程項目中根據(jù)組件參數(shù)、項目地極端低溫等因素可進行優(yōu)化設(shè)計，在安全范圍內(nèi)最大程度提高陳列串聯(lián)數(shù)，來提高直流系統(tǒng)電壓，減小線損、減少電氣設(shè)備及材料的初投。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；設(shè)計方法；模型仿真；模擬太陽光

引言

目前一般根據(jù)組件廠家出具的理論開路電壓、開路電壓影響系數(shù)和項目地歷史極端低溫來計算確定陣列最大串聯(lián)數(shù)，并沒有對實際最大開路電壓進行驗證且與理論值對比分析，在國內(nèi)現(xiàn)已實施的項目大多采取理論計算值，這在一定程度上使得光伏陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計偏于保守。

文章將通過搭建計算機仿真平臺，對極端低溫時不同輻照度下光伏組件開路電壓進行仿真分析。搭建物理實驗平臺，模擬極端環(huán)境溫度及太陽輻照強度，實際測量組件開路電壓值，驗證陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計方法，并進行極端低溫下最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)優(yōu)化設(shè)計的研究，對工程項目安全范圍內(nèi)的組件串聯(lián)數(shù)設(shè)計進行實驗驗證和出具設(shè)計指導(dǎo)和參考。

1 光伏陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計

在工程項目設(shè)計時，光伏陣列最大串聯(lián)數(shù)一般根據(jù)光伏組件及逆變器技術(shù)參數(shù)、環(huán)境極端低溫、系統(tǒng)電壓共同確定。由于環(huán)境溫度降低而導(dǎo)致的開路電壓升高，可依據(jù)公式（1）計算不同環(huán)境溫度下的開路電壓值：

Voc'=Voc+Voc（T-Tref）k （1）

式中：Voc'-現(xiàn)環(huán)境溫度下組件開路電壓，V；Voc-組件開路電壓，V；Tref-標(biāo)稱環(huán)境溫度，℃；T-環(huán)境溫度，℃；k-組件開路電壓溫度影響系數(shù)，%/℃。

計算出現(xiàn)環(huán)境溫度下的開路電壓后，根據(jù)直流系統(tǒng)最大電壓及逆變器的MPPT電壓跟蹤范圍確定光伏陣列最大串聯(lián)數(shù)，最大串聯(lián)數(shù)應(yīng)滿足公式（2），且滿足公式（3）：

N≤Vdcmax /Voc' （2）

Vmpptmin≤N×Vpm≤Vmpptmax （3）

式中：N-光伏陣列最大串聯(lián)數(shù)，無綱量；Vdcmax-直流系統(tǒng)最大電壓，取1000V；Vpm-光伏組件工作電壓，V；Vmpptmin-逆變器MPPT電壓最小值，V；Vmpptmax-逆變器MPPT電壓最大值，V。

以TBEA 300Wp光伏組件，TBEA -TC500KH-M逆變器，以某項目為算例進行光伏陣列串聯(lián)數(shù)的理論設(shè)計，參數(shù)分別如表1，2所示。

如某項目地環(huán)境極端低溫為-20℃時，組件開路電壓為45.4+45.4×（-20-25）×（-0.32%）≈51.94V，直流系統(tǒng)最大電壓為1000V，則組件串聯(lián)數(shù)應(yīng)小于等于1000/51.94≈19，逆變器MPPT跟蹤范圍為450～820V時，串聯(lián)數(shù)可選擇13≤N≤22，結(jié)合最大開路電壓可選擇陣列最大串聯(lián)數(shù)為19塊/串，但考慮到站區(qū)布置及施工安裝等因素，工程一般選用18塊/串。

但在該項目地極端溫度下，18塊/串的理論設(shè)計值在實際情況下開路電壓是否在安全范圍內(nèi)，是否可以提高串聯(lián)數(shù)來達到優(yōu)化設(shè)計的目的，都需要我們進一步驗證。而在國內(nèi)外對極端低溫時組件實際開路電壓檢測實驗與方法的研究很匱乏，文章將通過計算機建模仿真及搭建實驗平臺的方法對陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計進行驗證和優(yōu)化。

2 驗證方法

2.1 通過光伏組件計算機仿真模型驗證

根據(jù)光伏電池組件的物理特性等效電路及數(shù)學(xué)模型，基于Simulink仿真軟件建立了光伏電池組件的仿真模型，仿真分析對于項目地極端低溫下不同輻照度時太陽能光伏電池的開路電壓輸出。在Simulink模型合成界面內(nèi)按照表1中TBEA 300Wp產(chǎn)品參數(shù)在圖1仿真模型中進行設(shè)置，仿真結(jié)果見表3。

圖1 太陽能光伏電池輸出特性Simulink合成界面

表3 不同輻照度下光伏組件開路電壓仿真輸出統(tǒng)計表

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，在該項目地極端低溫的情況下，光伏組件開路電壓隨著輻照度的增加而升高。當(dāng)輻照度1000W/m2時，開路電壓升高至51.87V，與理論計算值51.94V相符，則工程項目光伏陣列串聯(lián)數(shù)選取19塊/串在系統(tǒng)最大電壓范圍內(nèi)。然而每天的實際溫度變化低溫通常出現(xiàn)在夜間、早晨或者下午，夜間無太陽光，輻照度為零，早晨或者下午輻照度一般小于600W/m2。而600W/m2對應(yīng)的開路電壓為47.96V，如在該項目地最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)選用20塊/串也在系統(tǒng)最大范圍內(nèi)。

2.2 通過實驗平臺模擬實際環(huán)境驗證

由于國內(nèi)用于光伏組件實驗相關(guān)的檢測設(shè)備大多用于老化測試，不具備同時模擬低溫及輻照度可變化的實際工況。則本實驗將采用氙氣燈光源、光源固定支架、均勻光毛玻璃等模擬太陽光，通過調(diào)節(jié)組件至氙氣燈光源的距離來得到不同輻照度；采用環(huán)境溫度箱模擬項目地極端低溫；將光伏組件、氙氣燈光源、輻照儀置于環(huán)境溫度箱內(nèi)測試極端低溫下光伏組件在不同輻照度時的開路電壓值，以驗證安全范圍內(nèi)的最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)，實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5。主要實驗設(shè)備及儀器見表4所示。

表4 主要實驗設(shè)備及儀器

表5 不同輻照度下光伏組件開路電壓模擬輸出統(tǒng)計表

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，在項目地極端低溫的情況下，光伏組件開路電壓隨著輻照度的增加而升高。當(dāng)輻照度1000W/m2時，開路電壓升高至51.3V，比理論計算值及計算機仿真數(shù)據(jù)低，則工程項目光伏陣列串聯(lián)數(shù)選取19塊/串在系統(tǒng)最大電壓范圍內(nèi)。在600W/m2對應(yīng)的開路電壓為47.45V，本項目如最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)選用20塊/串也在系統(tǒng)最大范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

文章對光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計理論方法進行了分析，并以實際算例通過光伏組件計算機模型仿真及實驗平臺模擬兩種驗證途徑對最大陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計方法進行了驗證，證明了設(shè)計方法的正確性與合理性；另外模型仿真及模擬實驗得到的組件開路電壓值比理論計算稍偏低，可知通過理論計算最出的最大陣列串聯(lián)數(shù)偏于保守，在工程項目中根據(jù)組件參數(shù)、項目地極端低溫等因素可進行優(yōu)化設(shè)計；由于實驗平臺氙氣燈光源不均勻度較之真實太陽光較差，則會對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，即通過模擬實驗得到的開路電壓值比計算機仿真模型偏低，所以對模擬太陽光實驗平臺需進一步改善。

參考文獻

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作者簡介：王靜（1984-），女，陜西咸陽人，杭州電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計工作。