光伏電站設計中組件串聯數的計算優化

中國電子工程設計院有限公司 ■ 趙霞 于金輝 李晗 翟云飛 牛利芳 梁芳 王靖

0 引言

我國光伏產業經過多年發展，技術不斷創新突破，裝機容量持續增加至全球領先的規模，光伏產業鏈已趨成熟完善。當前，提質增效成為光伏產業新發展階段的重要任務。因此，在安全高效的前提下，光伏電站的設計更需要考慮“降低發電成本、減少補貼依賴、優化發展規模”等因素，以提高電站運行質量，推動行業有序及高質量的發展。本文將從光伏電站設計中陣列設計，即組件串聯數的計算這一細節入手，探討其計算過程中存在的問題并進行優化，以有效降低光伏電站的建設成本，優化電站建設規模。

1 光伏電站設計中組件串聯數計算存在的問題分析

目前，常規光伏電站中的光伏組件串聯數是根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[1]中的組串計算公式來計算，即：

式中，Vdcmax為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmpptmax為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmpptmin為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的最佳工作電壓，V；Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數；N為光伏組件串聯數，N取整；t為工作狀態下光伏組件的極端低溫，℃；t′為工作狀態下光伏組件的極端高溫，℃。

從上述公式可以看出，組件串聯數需保證同時滿足逆變器的直流MPPT電壓和最大直流允許電壓的要求。

但該計算方式存在的問題是：在常規計算過程中，式中的t值一般取項目所在地的極端最低氣溫，而實際上極端低溫t應該取工作條件下組件的極端低溫，即有光照時組件的最低溫度。然而現實中，在組件工作條件下，當陽光照到光伏組件上時，結溫會立刻升高，并隨著輻照度的增加而增加。因此，計算中取全天的環境極端低溫直接計算，顯然t值會偏低。

以上因素造成在利用常規算法進行計算和設計時，存在極端低溫取值偏低、開路電壓偏大、組件串聯數取值偏保守的問題。組件串聯數偏小會導致在同樣的設計容量下組串數增多，從而使組串匯流電纜增多、支架數量增多、用地增加，最終導致電站投資增大。因此，在實際設計過程中，可在常規算法的基礎上根據實際運行環境優化計算。

2 組件串聯數計算優化

2.1 光伏組件相關特性分析

光伏組件的電流主要受輻照度的影響，電壓主要受組件工作溫度的影響[2]，如圖1所示；輻照度也會對電壓有一定的影響。在組件串聯個數計算中，主要用到的組件參數是組件開路電壓、組件最大功率點電壓。

圖1 組件電壓和組件工作溫度的關系曲線

為了使光伏組件輸出功率P最大，需要通過最大輸出功率點跟蹤方法，使電壓V維持在最大功率點附近。在光伏發電系統中，由逆變器MPPT實現這一功能。組件輸出功率與電壓的關系曲線示意圖如圖2所示[3]。

圖2 組件輸出功率與電壓的關系曲線

2.2 逆變器相關特性分析

逆變器MPPT控制的作用是調整電壓至組件的最大功率點電壓。以某500 kW逆變器參數為例，其主要參數數據如表1所示。

表1 某500 kW逆變器主要參數

在光伏發電系統中，隨著太陽輻照度從日出開始逐漸增強，組件發電產生的電壓也慢慢增大，當電壓進入逆變器工作電壓范圍時，逆變器開始工作，整個系統進入發電狀態；當組件電壓繼續升高進入逆變器MPPT電壓范圍時，MPPT會調整電壓至最大功率輸出點電壓，使該路MPPT下所接組串產生最大功率。中午到傍晚的變化也是相同，隨著太陽輻照度降低，組件電壓減小，當電壓低于逆變器最低工作電壓時，逆變器停止運行。工作電壓范圍決定了逆變器每天啟動與停止運行的時間，同理，滿載MPPT電壓范圍則決定了MPPT滿負荷運行的時間，這個范圍越寬，逆變器獲得的發電效率越高。

在組件串聯數的計算中，主要用到的逆變器參數是逆變器直流側最大開路電壓和MPPT電壓范圍。從式(1)和式(2)可以看出，式(1)決定了組串最大電壓在極端低溫條件下不會超過逆變器最大直流輸入電壓，式(2)決定了組串在極端高溫和極端低溫條件下電壓位于逆變器MPPT電壓范圍。而用常規算法計算時，限制組件串聯數上限的往往是逆變器MPPT電壓范圍的上限。

值得注意的是，當組串電壓高于MPPT電壓范圍的上限而低于逆變器最大直流輸入電壓時，逆變器仍具備對直流側電壓的控制能力。因此，通過電壓控制功能，MPPT會將直流電壓逐漸拉回850 V以下的正常工作范圍內。一旦直流輸入電壓低于MPPT電壓范圍的上限，MPPT控制就會調整電壓至最大功率點電壓。

2.3 優化建議

在光伏電站設計過程中，建議組件串聯數的確定應該以同時滿足以下條件作為取值標準：1)計算組串最高電壓，并根據環境極端低溫修正到電池結溫；2)組串在任何發電運行工況下，電壓都不超過逆變器允許的直流輸入電壓范圍(工作電壓范圍)；3)組件串聯數的取值應統籌考慮電站整體發電量。

光伏組串的最高電壓VOCARRAY等于最低工作溫度下的開路電壓[4]，計算式為：

光伏組串的最低電壓VmARRAY為：

光伏組件的串聯數應滿足：

式中，V′dcmax為逆變器和光伏組件允許的最大系統直流電壓，取二者較小值，V。

3 兩種計算方法的設計結果對比

以某光伏電站為例，采用2種計算方法分別計算并進行對比。該項目地的極端最高氣溫為38 ℃，極端最低氣溫為-20 ℃。采用290 Wp多晶硅光伏組件，組件開路電壓為39 V，峰值功率電壓為33 V，開路電壓溫度系數為-0.0033，工作電壓溫度系數為-0.0041。每1 MW為1個方陣，采用500 kW逆變器2臺，逆變器最大直流輸入電壓為1000 V，MPPT電壓范圍為450～820 V。

1)常規計算方法：即組件串聯數需保證同時滿足逆變器的直流MPPT電壓和最大直流允許電壓的要求。采用式(1)和式(2)計算，可得最大組件串聯數為20個。

2)優化后的計算方法：由于此項目地極端最低溫度為-20 ℃，非極寒地區，且達到極端最低氣溫的天數極少，因此，采用式(5)進行計算，即組件串聯數保證滿足最大直流允許電壓的要求，略高于逆變器的直流MPPT電壓最大值，可得最大組件串聯數為22個。

3.1 系統效率對比分析

兩種計算方法得出的組件串聯數不同，因此同等容量下的組串數量不同，使得線損不同，導致發電效率有差別，從而影響最終發電量。組件串聯數越大，組串電壓越高，線損越低，從而可提升發電效率。

在本案例中，兩種計算方法的系統效率對比結果如表2所示。

表2 兩種計算結果對系統效率的影響

由此可見，在本案例中，采用優化后的計算方法可以使組串電壓提高10%，線損減少21%，發電效率提升約0.25%。因此，在同等輻照度和相同容量條件下，優化后的算法可使發電量提升約0.25%。

3.2 投資成本對比分析

兩種計算結果對投資成本的影響主要體現在光伏發電系統直流側的成本和支架土建基礎的成本。

在本案例中，兩種計算方法的投資成本對比結果如表3所示。可知，采用優化后的計算方法，每個發電單元節省了16個支路，可節約1臺匯流箱，直流電纜減少了9.2%的用量；同時，雖然每個發電單元節省了16個支路，但支架大小有所增加，整體支架鋼材的用量變化不大，而支架土建基礎投資會減少約9.2%。

表3 兩種計算結果對投資成本的影響

4 結論

本文探討了光伏電站設計中組件串聯數的計算方法，對現有計算方法存在的問題進行了分析，提出了優化建議，并對兩種計算方法產生的結果進行了系統效率和投資成本方面的對比分析。采用優化后的計算方法可在光伏電站設計中降低投資成本，同時提升系統效率；但也存在極少數極端天氣情況下，逆變器無法輸出最大功率的風險。因此，在實際設計過程中，需要進行氣象條件分析，根據項目地的實際極端氣溫、出現時間點及天數，從系統效率、投資成本和極端低溫運行減損的發電量幾個方面進行綜合對比，從而選擇最具經濟性的方案。