局部陰影條件下光伏發電系統的優化設計

林 沖，陳 清，古 濤，張立學，趙永彬

（國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京210032）

1 引言

在光伏發電系統設計中，光伏組件方陣的組串結構形式及組件匹配對光伏系統效率轉換有很大的影響，從而影響到光伏發電系統的發電能力。光伏陣列的組件串聯因為電流不一致產生的效率降低，前后排陣列遮擋、光伏組件局部遮擋、組件表面積塵等是影響系統效率、減少電站發電量的重要因素之一。

由于光伏組件具有固定的輸出特性曲線，為保證電池發電效率，在進行光伏發電優化設計時，需要對光伏組件輸出進行最大功率跟蹤，優化組串結構設計，保證光伏組件輸出功率曲線在最大跟蹤點，盡可能多地捕捉太陽能輻照量產生電能。同時將定期、及時對組件進行清洗，但組件上的灰塵或積雪造成的污染仍會對發電量造成影響，造成年系統效率折減。

在實際工程應用中，光電場中的立桿，如光伏組件陣列中的避雷針、場地中既有的建筑物、光伏組串設計合理性等也會影響光伏系統的效率。因此，在光伏系統設計時應根據電站實際安裝條件，綜合考慮組件遮擋和不可避免的積塵的影響，對光伏系統進行優化設計。

2 電站實驗及方法

遮擋模式和串并聯模式測試方法見圖1和圖2。組串和組串之間的差別測試結果如表1。

表1 陰影遮擋不一致輸出

2.1 常見遮擋模式

圖1 常見6種遮擋模式

2.2 兩種測試方法

圖2 組件串并聯測試方法

2.3 效率的不一致性研究

不同串并聯結構導致最佳陰影分布呈不同特點。

從表1可以看到組串僅僅產生0.15%的不一致時，輸出功率可能會跌落2%～4%；當產生10%的不一致率時，輸出功率差值約在13%～36%。

2.4 光伏系統典型設計

典型案例：光伏支架上下2排均勻布置20塊光伏組件（圖3）。

圖3 光伏方陣排布模型

2.5 部分遮擋時光伏組件仿真模擬

冬至日不同時段部分遮擋仿真模擬見圖4～圖9，遮擋分布見圖10。

圖6 冬至日Date：09h00陰影（無）

圖7 冬至日Date：15h00陰影（無）

綜上光伏組件遮擋時仿真模擬分析可得知：

（1）光伏組件呈2排對稱布置時候，為了充分利用太陽能輻照，設計時需充分考慮光伏陣列前后間距，確保光伏組件冬至日9：00～15：00不能被遮擋。

圖8 冬至日Date：15h30局部陰影

圖9 冬至日Date：16h00局部陰影

圖10 冬至日陰影遮擋分布

（2）光伏支架間距計算滿足冬至日間距要求下，盡可能優化光伏系統電氣設計，上下排組件設計成并聯輸出，減少上下串聯設計，避免出現常見遮擋模式4下組件輸出功率衰減。通過上述仿真太陽運動軌跡可以發現陰影遮擋時出現在同一排組件上，光伏支架底部組件全部遮擋時需要1h，同時段光伏支架頂部同一排組件不受陰影遮擋。在不改變光伏陣列間距的情況下，整個光伏系統不受遮擋運行時間增加，太陽能水平輻射量不變的情況下整個系統可以更多地產生電能，增加發電量。

3 局部陰影對陣列輸出特性的影響

如果光伏系統中其中一塊光伏組件被遮擋，被遮擋電池片將會通過旁路二極管工作，當被遮擋電池的二極管超過擊穿電壓后，形成熱斑效應，長久下去該電池將被擊穿或損壞。眾所周知，光伏發電系統是由多塊光伏組件串聯結構組成經匯流再通過逆變器產生交流電流，若陣列中的某一塊組件I－V和P－V特性曲線受到影響，將影響整個串聯回路I－V輸出特性曲線，串聯回路輸出電流減小，從而降低整個系統的光伏發電轉換效率。經多項研究發現，若有不同程度遮擋則發電量較無遮擋時會減少約10%～30%。

目前關于電池單元及單塊組件的遮擋實驗和模擬很多，采用不同的遮擋方式及遮擋比例，來研究光伏陣列被遮擋后的電流、電壓和功率的變化，以此來研究遮擋對陣列發電量的影響。以下試驗通過多塊光伏組件串聯和并聯，通過對單塊光伏電池物理模型調整，得出電池組件在不同遮擋情況下伏安特征曲線，如圖11～圖13所示。

圖11 沒有遮擋光伏組件的I－U特征曲線

圖12 遮擋（一塊）光伏組件的I－U特征曲線

圖13 遮擋（兩塊）光伏組件的I－V特征曲線

4 光伏陣列的優化設計

基于上述仿真試驗與分析，局部陰影條件下光伏陣列優化設計的基本原則如下。

（1）根據電站的實際安裝環境，計算陰影長度和建立模型模擬陰影變化和遮擋范圍、設計時需充分考慮光伏陣列前后間距，確保光伏組件冬至日9：00～15：00不能被遮擋。

（2）系統容量已設定條件下，光伏系統陣列及組串設計在保證滿足系統工作電壓要求的前提下，盡可能調整光伏陣列的串并聯數量，將系統優化設計成多回路并聯匯流輸出，避免單一回路輸出。

（3）設計過程中要避免光伏組件處于陰影中，同時為了保護光伏組件，避免局部遮擋造成光伏組件熱斑現象；系統應在光伏陣列末端加裝防反二極管，防止其它組串反向電壓加載在遮擋組串回路兩端產生負載效應，損耗光伏系統電能。

（4）固定支架上下排安裝光伏組件情況下，組串結構方式優化設計成上下排組件獨立回路輸出，避免上下交叉串聯，再并聯輸出。這樣可以避免上下排組件同時被局部遮擋和更多獲取太陽能輻照量，增加系統發電量。

（5）在不同安裝地、不同季節時段，陰影長度和變化范圍較大，可用常見遮擋模式下組件效率輸出特性對各種可能的陰影條件進行選擇，篩選出綜合效果好的方案。

5 結論與討論

本文對部分遮擋時光伏組件串并聯結構設計的情況進行了分析和常見部分遮擋模式模擬仿真。

綜上所述，組件遮擋對光伏陣列的功率輸出特性具有十分重要的影響，通過部分遮擋模擬仿真對典型工程設計項目進行了驗證。總結了陰影遮擋組件不同程度對光伏陣列功率輸出影響，提出適用性較廣的光伏陣列優化設計方法提高系統轉換效率，為光伏發電系統的工程設計提供有力的支持。

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