100 kWp光伏幕墻并網系統性能分析

■ 施光輝 楊正虎 張家維 胡志華*

(1.云南能投新能源投資開發有限公司；2.云南師范大學太陽能研究所)

0 引言

國家能源局數據顯示，截至2016年底，我國光伏發電新增裝機容量為3454萬kW，累計裝機容量達7742萬kW，均為全球第一。其中，集中式光伏發電累計裝機容量為6710萬kW，分布式光伏發電累計裝機容量為1032萬kW，全年發電量達662億kWh，占我國全年總發電量的1%。

隨著光伏技術的進步，在政府的支持下，光伏建筑一體化(BIPV)[1-3]成為21世紀建筑及光伏技術市場的一大熱點。BIPV是利用綠色能源產生電力，不會污染環境，開發利用過程中不會產生任何生態方面的副作用；一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；此外，BIPV采用并網光伏系統，無需配備蓄電池，既節省投資，又不受蓄電池荷電狀態的限制，可以充分利用光伏系統發出的電力[4]。基于BIPV以上優點，本文對云南師范大學能源與環境科學學院100 kWp光伏幕墻并網系統的日運行狀態、晴天和陰天運行狀態、月發電量和各日照時數關系及逆變器的工作性能展開了系統的分析。

1 100 kWp光伏幕墻并網系統介紹

云南師范大學能源與環境科學學院100 kWp光伏幕墻并網系統由576塊170 W的雙玻組件構成，總面積為1560 m2，幕墻與水平面的傾角為85°，面向正南方，如圖1a所示。雙玻組件采用駁接爪固定在鋼架龍骨上，以保證固定強度和美觀性，如圖1b所示。

安裝完成后，幕墻整體透光率為45%，系統的峰值電壓為796.8 V，峰值電流為122.88 A，開路電壓為950.4 V，短路電流為135.6 A。系統中逆變器采用了1臺100 kW的并網逆變器，通過2臺光伏陣列防雷匯流箱(型號：PVS-12M)輸入24組串聯組件，共24×24塊組件。系統的組成除了雙玻光伏組件、并網逆變器、光伏陣列防雷匯流箱外，還有光伏交流防雷配電柜、光伏交流防雷配電箱、系統連接電纜、光伏幕墻支架、環境檢測儀、監控軟件、防雷接地系統、橋架等，最終的電能輸出通過1臺200 kW配電柜接入AC400V并網點，供內部負載消耗使用。

圖1 100 kWp光伏幕墻實景圖

2 光伏幕墻并網系統日運行狀態分析

2.1 日工作電壓、工作電流隨時間變化情況

一天中系統的工作電壓和工作電流隨時間的變化曲線如圖2所示。由圖2可知：系統開始并網發電的時間約為7:00，停止并網發電時間約為18:30，其余時間均為開機等待時間，每天并網發電時間約為11.5 h；系統7:00左右開始并網發電時的工作電壓為570.4 V，在此之前電壓小于450 V，而逆變器最大功率追蹤范圍為450～800 V，逆變器不能并網發電，系統處于開機等待狀態；隨著日照強度的增大，工作電壓峰值和工作電流峰值隨之加大，在7:33時達到最大峰值電壓822.2 V，在11:00時達到最大峰值電流84.6 A；18:49時，隨著太陽的下落，系統電壓再次低于450 V，系統停止并網發電。此外由圖2還可看出，工作電壓開始上升的時間點比工作電流開始上升的時間點提前大約1 h，工作電壓開始急劇下降的時間點比工作電流下降的時間點晚大約1 h。

圖2 工作電壓、工作電流隨時間的變化情況圖

2.2 系統日累計發電量隨時間的變化情況

由圖3a、圖3b可知，一天中發電功率最大的時段是9:00～15:00，到18:00以后，發電總量達到飽和；一天中的發電主要集中在9:00～15:00，這段時間發電量占全天發電量的65%左右。

圖3 系統日累計發電量隨時間變化情況圖

3 光伏幕墻系統晴天和陰天運行狀態分析

3.1 工作電壓、工作電流隨時間變化情況對比分析

以2014年10月10日晴天和10月15日陰天為例。由圖4可知，晴天和陰天系統的工作電壓隨時間的變化規律大致相同，陰天的峰值電壓為791.5 V，出現在15:00左右，值略小于晴天的峰值電壓；晴天的峰值電壓為822.2 V，出現在7:33左右；在7:00～7:30和18:30～19:00兩個時間段，系統晴天的工作電壓要明顯高于陰天的工作電壓。而系統晴天和陰天的工作電流隨時間的變化規律差異比較明顯，陰天的峰值電流為75.1 A，出現在12:30左右；晴天的峰值電流為84.6 A，出現在11:00左右；陰天各時段的工作電流均小于晴天各時段的工作電流。

圖4 晴天和陰天系統日工作電壓、工作電流隨時間變化圖

晴天和陰天系統的工作電壓相差不是很大，而工作電流相差較大，其原因在于光電流是由光生載流子的定向移動形成的，在受光面積相同的情況下，光電流密度越大，光電流越大，而光電流密度的最大值JL(max)=qNph(Eg)，其中，Nph(Eg)為每秒透射到太陽電池上能量大于電池材料禁帶寬度Eg的總光子數，所以光流密度JL的大小只與入射光強有關，與光電壓無關。在陰天相同時間段，入射光強度小于晴天的入射光強，所以系統陰天的工作電流要明顯小于晴天。

3.2 晴天與陰天發電量對比分析

各時段的發電量分布情況如圖5所示。由圖5可知，陰天全天的總發電量為79.9 kWh，遠小于晴天的總發電量246.1 kWh；在12:00之前，陰天各時段發電量占全天發電量的比例小于晴天，12:00之后，陰天各時段發電量占全天發電量的比例大于晴天。一天中發電量最多的時段，晴天和陰天都是12:00～14:00，該時段陰天發電量占全天發電量的55.98%。

圖5 晴天和陰天各時段發電量及占全天發電總量比例圖

3.3 晴天和陰天系統輸入功率對比分析

晴天和陰天系統的輸入功率情況如圖6所示。系統陰天時的峰值功率為54 kW，大約出現在13:00左右，晴天系統的峰值發電功率約為60 kW，大約出現在10:00左右；晴天系統的功率在12:00之前和14:00之后都遠大于陰天系統的輸入功率，陰天系統發電主要集中在10:00～16:00，其他時間段功率極小，發電量也很少。

圖6 晴天和陰天輸入功率對比圖

4 光伏幕墻系統月發電量與各月日照時數關系

以2014年10月為例，月發電量與月平均日照時數關系如圖7所示。由圖7可知，2014年10～12月發電量隨日照時數增加而增加，12月發電量最大，為9748.3 kWh；而2015年2～3月有些異常，據查實，該階段系統出現故障，處于維修狀態。所以，在正常情況下，月發電量與日照時數成正比趨勢，即日照時數越長，發電量也就越大。

圖7 月發電量與平均日照時數關系圖

5 逆變器工作性能分析

逆變器的逆變效率為：逆變效率η=逆變器的輸出功率Pout/光伏陣列的輸入功率Pin×100%。逆變器的效率與光伏陣列輸入功率的關系如圖8所示。

圖8 光伏并網逆變器效率隨光伏陣列輸出功率變化圖

由圖8可知，當光伏陣列的輸出功率達到3000 W時，逆變器效率達到80%左右；當光伏陣列的輸出功率低于3000 W時，逆變器的逆變效率隨光伏陣列輸出功率的下降而明顯下降；當光伏陣列的輸出功率高于3000 W時，逆變器的逆變效率增加不明顯，最高可達到96.14%，與逆變器供應商提供的效率說明最大效率97.1%基本相符。

逆變器輸出功率和光伏陣列工作電壓的關系如圖9所示。由圖9可知，8:33時，光伏陣列電壓已達到最大值785.2 V，但11:00時逆變器的輸出功率才達到峰值57600 W，由此可知，逆變器的輸出功率主要取決于太陽輻照時間的長短。

圖9 光伏并網逆變器輸出功率與光伏陣列工作電壓關系圖

6 結論

通過對云南師范大學能源與環環境科學學院大樓100 kWp光伏幕墻并網系統的運行數據分析可知，該并網系統日工作電壓、工作電流出現峰值的時間段大約為13:00～15:00之間，即在這個時段系統的輸出功率最大，符合我們的理論計算和常理推斷。并網逆變器效率高于80%，符合國家相關標準規定。本文對100 kWp光伏幕墻并網系統的日、月發電量進行的數據分析可為其他類似系統提供實例參考依據。

[1]楊洪興,季杰. BIPV對建筑墻體得熱影響的研究[J].太陽能學報,1999,20(3):270－273.

[2]郝國強,李紅波,陳鳴波.光伏建筑一體化(BIPV)并網電站的應用與發展[J].上海節能,2006,(6):66－70.

[3]姜志勇.光伏建筑一體化(BIPV)的應用[J].建筑電氣,2008,27(6):7－10.

[4]陳菊芳,沈輝,楊灼堅,等.中山大學光伏并網示范電站分析[J].電源技術,2010,34(3):292－294.