不同標稱功率光伏組件替換使用時的模型研究

許鵬 尤雪寧 閆德霖 陳銘朗 萬浩然 何景晨

摘 要：針對某類光伏組件無備件更換時替換成其他標稱功率光伏組件使用的可行性進行研究，通過Matlab軟件仿真模擬不同標稱功率光伏組件串聯(lián)后的輸出特性曲線，以實物實驗來驗證效果；并對不同標稱功率光伏組件構成的光伏組串運行時的溫度進行測試，用于判斷光伏組件是否存在發(fā)熱燒壞的情況。結(jié)果顯示：1）采用不同標稱功率光伏組件形成的光伏組串的I-U曲線和P-U曲線均在達到最大值之前出現(xiàn)了一個拐點，曲線不如采用相同標稱功率光伏組件時的平滑。2）當兩塊較大標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較小標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率會降低，但輸出功率的這種變動不影響光伏組件的正常使用；而當兩塊較小標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較大標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率基本不變。由此可知，當相同標稱功率的光伏組件備件不足時，最好替換的光伏組件不要與被替換光伏組件的標稱功率差異太大，否則容易引起光伏組串較大的輸出功率損失。3）低標稱功率的光伏組件與高標稱功率光伏組件串聯(lián)后，光伏組件的表面溫度在正常范圍內(nèi)，光伏組件可正常運行。該研究為光伏組件備件不足帶來的困擾提供了解決方案。

關鍵詞：光伏陣列；光伏組串；光伏組件；輸出特性；仿真模擬；標稱功率

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

光伏陣列一般是選用類型和性能參數(shù)均基本一致的光伏組件進行串并聯(lián)，以保證串聯(lián)時的電流基本一致、并聯(lián)時的電壓基本一致。當光伏組件損壞后，為維持光伏陣列的總體輸出功率，新舊光伏組件混用已成常態(tài)。但隨著光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、光伏產(chǎn)品更新迭代，考慮到光伏組件使用壽命長達25～30年，需要更換的光伏組件極有可能已不再生產(chǎn)，因此，有必要對不同類型光伏組件替換使用的問題進行研究。

基于此，本文針對某標稱功率光伏組件無備件更換時使用其他標稱功率光伏組件的可行性進行研究，通過Matlab軟件仿真模擬不同標稱功率光伏組件串聯(lián)后的輸出特性曲線，以實物實驗來驗證效果，并對不同標稱功率光伏組件構成的光伏組串運行時的溫度進行測試，用于判斷光伏組件是否存在發(fā)熱燒壞的情況。

1? 不同標稱功率光伏組件替換使用時的模型設計

不同標稱功率的光伏組件替換使用時會存在兩種情況：一種是以大標稱功率的光伏組件替換小標稱功率的光伏組件，另一種是以小標稱功率的光伏組件替換大標稱功率的光伏組件。可基于不同標稱功率光伏組件替換使用時的光伏組串輸出特性來探討其替換使用的可行性。

首先需要構建光伏組件等效電路模型[1-2]，得到的模型如圖1所示。圖中：I為光伏組件的理想輸出電流；U為光伏組件的理想輸出電壓；Ioh為光伏組件光生電流；Id為暗電流；Ish為流過并聯(lián)電阻的電流；Rsh為光伏組件等效并聯(lián)電阻；Rs為光伏組件等效串聯(lián)電阻，是為研究太陽電池內(nèi)部電阻、電路兩極間電阻和光伏組件表面電阻等的情況而設計的。

光伏組件等效電路模型的I-U特性方程[3]可表示為：

式中：e為自然常數(shù)；q為電荷量，取值1.602×10-19 C；n為二極管理想因子，一般取值1～2；k為玻爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23 J/K；T為太陽電池熱力學溫度。

式（1）展現(xiàn)了光伏組件內(nèi)部各因素與光伏組件等效電路模型輸出特性之間的關系，但光伏組件光生電流、暗電流、二極管理想因子、光伏組件等效并聯(lián)電阻、光伏組件等效串聯(lián)電阻等均不易測得，且該方程很難求解。因此需要通過簡單模型進行推導，以方便實際應用。設立中間系數(shù)C1、C2，可將式（1）改進為：

式中：Isc為短路電流；Uoc為開路電壓。

中間系數(shù)C1、C2可表示為[4]：

式中：Im為最大功率點電流；Um為最大功率點電壓。

對式（2）進行整理可得：

當光伏組件為開路狀態(tài)時，將I=0，U=Uoc帶入式（5），可得：

再將I=Im，U=Um帶入式（5），可得：

光伏陣列是由光伏組件通過串、并聯(lián)形成，假設某光伏陣列由N塊光伏組件串聯(lián)而成，則該光伏陣列的輸出電流等于光伏組件的輸出電流，光伏陣列的直流輸出電壓等于N倍的光伏組件輸出電壓。因此，光伏陣列的數(shù)學模型可表示為：

假設光伏陣列由兩塊標稱功率不同的光伏組件串聯(lián)而成[5]，當?shù)?塊光伏組件的光生電流Ioh1大于第2塊光伏組件的光生電流Ioh2時，式（8）可轉(zhuǎn)換為：

當?shù)?塊光伏組件的光生電流Ioh1小于第2塊光伏組件的光生電流Ioh2時，式（8）可轉(zhuǎn)換為：

（10）

2? 模型建立與仿真

本實驗采用的光伏組件的標稱功率分別為350 W和260 W，分別研究兩塊相同標稱功率光伏組件串聯(lián)時和兩塊不同標稱功率光伏組件串聯(lián)時的輸出特性，以用于分析光伏陣列中采用不同標稱功率光伏組件的可行性。因此，本實驗共采用3種光伏組件串聯(lián)方式，即：兩塊標稱功率均為350 W的光伏組件串聯(lián)形成的光伏組串（下文簡稱為“350-350 W光伏組串”）、兩塊標稱功率均為260 W的光伏組件串聯(lián)形成的光伏組串（下文簡稱為“260-260 W光伏組串”）、兩塊標稱功率分別為350 W和260 W的光伏組件串聯(lián)形成的光伏組串（下文簡稱為“350-260 W光伏組串”）。利用Matlab軟件分別對這3種光伏組串的輸出特性進行模擬。

350 W光伏組件和260 W光伏組件的各項參數(shù)分別如表1、表2所示。

為了防止熱斑效應損壞光伏組件，光伏組件串聯(lián)時，每塊光伏組件均并聯(lián)一個旁路二極管，并在支路首段并聯(lián)一個防逆流的二極管；同時可根據(jù)文獻[6-7]配置出最優(yōu)的旁路二極管方案，有助于減少光伏組件失配損失和避免熱斑效應的產(chǎn)生。本實驗中的旁路二極管均為光伏組件出廠自帶。光伏組件串聯(lián)結(jié)構圖如圖2所示。

利用Matlab軟件仿真光伏組串的I-U、P-U特性[8-9]，當采用350-350 W光伏組串時，仿真得到該光伏組串的I-U曲線、P-U曲線如圖3所示。

當采用260-260 W光伏組串時，利用Matlab軟件仿真模擬得到該光伏組串的I-U曲線、P-U曲線如圖4所示。

由圖3、圖4可知：350-350 W光伏組串的最大輸出功率為700 W，260-260 W光伏組串的最大輸出功率為520 W。

當采用350-260 W光伏組串時，利用Matlab軟件仿真得到該光伏組串的I-U曲線、P-U曲線如圖5所示。

由圖5可知：該光伏組串可達到的最大輸出功率為520.9 W。

結(jié)合圖3～圖5可以發(fā)現(xiàn)：

1）在相同環(huán)境條件下，相同標稱功率光伏組件形成的光伏組串的I-U曲線和P-U曲線均較為平滑，與其不同的是，采用不同標稱功率光伏組

件形成的光伏組串的I-U曲線和P-U曲線均在達到最大值之前出現(xiàn)了一個拐點，曲線不如采用相同標稱功率光伏組件時的平滑。

2）采用不同標稱功率光伏組件形成的光伏組串的最大輸出功率比采用兩塊較大標稱功率光伏組件形成的光伏組串的最大輸出功率小，但比采用兩塊較小標稱功率光伏組件形成的光伏組串的最大輸出功率略大，但增大的幅度有限，可忽略不計。也就是說，當兩塊較大標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較小標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率會降低，但輸出功率的這種變動不影響光伏組件的正常使用；而當兩塊較小標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較大標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率基本不變。由此可知，當相同標稱功率的光伏組件備件不足時，最好替換的光伏組件不要與被替換光伏組件的標稱功率差異太大，否則容易引起光伏組串較大的輸出功率損失。

該仿真實驗驗證了光伏組件替換使用的可行性，為備件不足帶來的困擾提供了解決方案。

3? 實物驗證

3.1 光伏組串輸出特性測試

對上文提到的3種光伏組串進行實物測試，根據(jù)測試得到的多組數(shù)據(jù)，生成各自的I-U曲線。3種光伏組串的實物圖如圖6所示。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到的3種光伏組串的I-U曲線如圖7所示。

由圖7可知：當采用不同標稱功率的光伏組

件時，隨著輸出電壓的增大，光伏組串的輸出電流受小標稱功率光伏組件的限制，但不影響光伏組件的使用；且相較于采用相同標稱功率光伏組

件的光伏組串，采用不同標稱功率光伏組件的光伏組串的I-U曲線多了一個拐點，這與上文仿真分析時得到的結(jié)論一致。

3.2? 光伏組件表面溫度測試

考慮到不同標稱功率光伏組件串聯(lián)可能會出現(xiàn)光伏組件發(fā)熱燒壞的情況，分別將標稱功率為260 W和350 W的光伏組件與標稱功率為470 W的光伏組件串聯(lián)（分別形成“260-470 W光伏組串”和“350-470 W光伏組串”）運行，在天氣晴朗的14：00～15：00期間，通過測溫儀測試光伏組件表面的溫度，并對比溫度變化。根據(jù)測試數(shù)據(jù)得到的溫度曲線如圖8所示。

由于測試中的光伏組件是平鋪在水平面上，相較于有安裝傾角的光伏組件，其散熱較慢，但根據(jù)測試得到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：不同光伏組串中的光伏組件表面溫度的最大溫差不超過6 ℃，并未出現(xiàn)光伏組件發(fā)熱燒壞的情況。通過實物測試發(fā)現(xiàn)，

低標稱功率的光伏組件與高標稱功率光伏組件串聯(lián)后，光伏組件的表面溫度在正常范圍內(nèi)，光伏組件可正常運行。

4? 結(jié)論

針對某類光伏組件無備件更換時替換成其他標稱功率光伏組件使用的可行性進行研究，通過Matlab軟件仿真模擬了不同標稱功率光伏組件串聯(lián)后的輸出特性曲線，以實物實驗驗證了效果；并對不同標稱功率光伏組件構成的光伏組串運行時的溫度進行了測試，用于判斷光伏組件是否存在發(fā)熱燒壞的情況。結(jié)果顯示：

1）采用不同標稱功率光伏組件形成的光伏組串的I-U曲線和P-U曲線均在達到最大值之前出現(xiàn)了一個拐點，曲線不如采用相同標稱功率光伏組件時的平滑。

2） 當兩塊較大標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較小標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率會降低，但輸出功率的這種變動不影響光伏組件的正常使用；而當兩塊較小標稱功率光伏組件串聯(lián)時，其中一塊被替換為較大標稱功率光伏組件后，其整體的最大輸出功率基本不變。由此可知，當相同標稱功率的光伏組件備件不足時，最好替換的光伏組件不要與被替換光伏組件的標稱功率差異太大，否則容易引起較大的輸出功率損失。

3） 低標稱功率的光伏組件與高標稱功率光伏組件串聯(lián)后，光伏組件的表面溫度在正常范圍內(nèi)，光伏組件可正常運行。

仿真結(jié)果和實驗研究的結(jié)論一致，驗證了不同標稱功率光伏組件替換使用的可行性，為備件不足帶來的困擾提供了解決方案。但由于實驗的局限性，本文僅對幾種標稱功率的光伏組件進行了研究，對其他標稱功率光伏組件串聯(lián)使用時的影響因素有待進一步研究。該研究一方面提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的可維護性、保證了系統(tǒng)的正常運行；另一方面提高了光伏組件的利用率、降低了物料的淘汰率、減少了物料的浪費、最大化利用了光伏組件，為光伏電站的可持續(xù)運行提供了支撐。

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