光伏陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法的研究*

王靜 劉佳尉 汪婷婷

摘 要：文章對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)理論方法進(jìn)行了分析研究，并以實(shí)際算例通過(guò)計(jì)算機(jī)模型仿真分析及搭建物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法，對(duì)極端低溫下不同輻照度時(shí)的陣列開路電壓進(jìn)行了仿真模擬，驗(yàn)證了陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性與合理性。另外通過(guò)模型仿真及模擬實(shí)驗(yàn)得到的組件開路電壓值比理論計(jì)算稍偏低，可知理論計(jì)算得出的最大陣列串聯(lián)數(shù)偏于保守，因此工程項(xiàng)目中根據(jù)組件參數(shù)、項(xiàng)目地極端低溫等因素可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在安全范圍內(nèi)最大程度提高陳列串聯(lián)數(shù)，來(lái)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(jì)方法；模型仿真；模擬太陽(yáng)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(xiàng)目地歷史極端低溫來(lái)計(jì)算確定陣列最大串聯(lián)數(shù)，并沒(méi)有對(duì)實(shí)際最大開路電壓進(jìn)行驗(yàn)證且與理論值對(duì)比分析，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)已實(shí)施的項(xiàng)目大多采取理論計(jì)算值，這在一定程度上使得光伏陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)偏于保守。

文章將通過(guò)搭建計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)，對(duì)極端低溫時(shí)不同輻照度下光伏組件開路電壓進(jìn)行仿真分析。搭建物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬極端環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻照強(qiáng)度，實(shí)際測(cè)量組件開路電壓值，驗(yàn)證陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行極端低溫下最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，對(duì)工程項(xiàng)目安全范圍內(nèi)的組件串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和出具設(shè)計(jì)指導(dǎo)和參考。

1 光伏陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)

在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(jì)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(wú)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(xiàng)目為算例進(jìn)行光伏陣列串聯(lián)數(shù)的理論設(shè)計(jì)，參數(shù)分別如表1，2所示。

如某項(xiàng)目地環(huán)境極端低溫為-20℃時(shí)，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(shí)，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(xiàng)目地極端溫度下，18塊/串的理論設(shè)計(jì)值在實(shí)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(lái)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，都需要我們進(jìn)一步驗(yàn)證。而在國(guó)內(nèi)外對(duì)極端低溫時(shí)組件實(shí)際開路電壓檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與方法的研究很匱乏，文章將通過(guò)計(jì)算機(jī)建模仿真及搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法對(duì)陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。

2 驗(yàn)證方法

2.1 通過(guò)光伏組件計(jì)算機(jī)仿真模型驗(yàn)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(duì)于項(xiàng)目地極端低溫下不同輻照度時(shí)太陽(yáng)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(jìn)行設(shè)置，仿真結(jié)果見表3。

圖1 太陽(yáng)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(jì)表

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，在該項(xiàng)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(shí)，開路電壓升高至51.87V，與理論計(jì)算值51.94V相符，則工程項(xiàng)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(shí)際溫度變化低溫通常出現(xiàn)在夜間、早晨或者下午，夜間無(wú)太陽(yáng)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(duì)應(yīng)的開路電壓為47.96V，如在該項(xiàng)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(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬實(shí)際環(huán)境驗(yàn)證

由于國(guó)內(nèi)用于光伏組件實(shí)驗(yàn)相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備大多用于老化測(cè)試，不具備同時(shí)模擬低溫及輻照度可變化的實(shí)際工況。則本實(shí)驗(yàn)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(yáng)光，通過(guò)調(diào)節(jié)組件至氙氣燈光源的距離來(lái)得到不同輻照度；采用環(huán)境溫度箱模擬項(xiàng)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(cè)試極端低溫下光伏組件在不同輻照度時(shí)的開路電壓值，以驗(yàn)證安全范圍內(nèi)的最大光伏陣列串聯(lián)數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表5。主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器見表4所示。

表4 主要實(shí)驗(yàn)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(jì)表

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在項(xiàng)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(shí)，開路電壓升高至51.3V，比理論計(jì)算值及計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)低，則工程項(xiàng)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(duì)應(yīng)的開路電壓為47.45V，本項(xiàng)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(yǔ)

文章對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列最大串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)理論方法進(jìn)行了分析，并以實(shí)際算例通過(guò)光伏組件計(jì)算機(jī)模型仿真及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬兩種驗(yàn)證途徑對(duì)最大陣列串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了設(shè)計(jì)方法的正確性與合理性；另外模型仿真及模擬實(shí)驗(yàn)得到的組件開路電壓值比理論計(jì)算稍偏低，可知通過(guò)理論計(jì)算最出的最大陣列串聯(lián)數(shù)偏于保守，在工程項(xiàng)目中根據(jù)組件參數(shù)、項(xiàng)目地極端低溫等因素可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)氙氣燈光源不均勻度較之真實(shí)太陽(yáng)光較差，則會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，即通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得到的開路電壓值比計(jì)算機(jī)仿真模型偏低，所以對(duì)模擬太陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需進(jìn)一步改善。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王靜（1984-），女，陜西咸陽(yáng)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(jì)工作。