光伏阵列最大串联数设计及验证方法的研究*

王静 刘佳尉 汪婷婷

摘 要：文章对光伏发电系统阵列最大串联数设计理论方法进行了分析研究，并以实际算例通过计算机模型仿真分析及搭建物理实验平台的方法，对极端低温下不同辐照度时的阵列开路电压进行了仿真模拟，验证了阵列最大串联数设计方法的正确性与合理性。另外通过模型仿真及模拟实验得到的组件开路电压值比理论计算稍偏低，可知理论计算得出的最大阵列串联数偏于保守，因此工程项目中根据组件参数、项目地极端低温等因素可进行优化设计，在安全范围内最大程度提高陈列串联数，来提高直流系统电压，减小线损、减少电气设备及材料的初投。

关键词：光伏阵列；设计方法；模型仿真；模拟太阳光

引言

目前一般根据组件厂家出具的理论开路电压、开路电压影响系数和项目地历史极端低温来计算确定阵列最大串联数，并没有对实际最大开路电压进行验证且与理论值对比分析，在国内现已实施的项目大多采取理论计算值，这在一定程度上使得光伏阵列串联数设计偏于保守。

文章将通过搭建计算机仿真平台，对极端低温时不同辐照度下光伏组件开路电压进行仿真分析。搭建物理实验平台，模拟极端环境温度及太阳辐照强度，实际测量组件开路电压值，验证阵列最大串联数设计方法，并进行极端低温下最大光伏阵列串联数优化设计的研究，对工程项目安全范围内的组件串联数设计进行实验验证和出具设计指导和参考。

1 光伏阵列串联数设计

在工程项目设计时，光伏阵列最大串联数一般根据光伏组件及逆变器技术参数、环境极端低温、系统电压共同确定。由于环境温度降低而导致的开路电压升高，可依据公式（1）计算不同环境温度下的开路电压值：

Voc'=Voc+Voc（T-Tref）k （1）

式中：Voc'-现环境温度下组件开路电压，V；Voc-组件开路电压，V；Tref-标称环境温度，℃；T-环境温度，℃；k-组件开路电压温度影响系数，%/℃。

计算出现环境温度下的开路电压后，根据直流系统最大电压及逆变器的MPPT电压跟踪范围确定光伏阵列最大串联数，最大串联数应满足公式（2），且满足公式（3）：

N≤Vdcmax /Voc' （2）

Vmpptmin≤N×Vpm≤Vmpptmax （3）

式中：N-光伏阵列最大串联数，无纲量；Vdcmax-直流系统最大电压，取1000V；Vpm-光伏组件工作电压，V；Vmpptmin-逆变器MPPT电压最小值，V；Vmpptmax-逆变器MPPT电压最大值，V。

以TBEA 300Wp光伏组件，TBEA -TC500KH-M逆变器，以某项目为算例进行光伏阵列串联数的理论设计，参数分别如表1，2所示。

如某项目地环境极端低温为-20℃时，组件开路电压为45.4+45.4×（-20-25）×（-0.32%）≈51.94V，直流系统最大电压为1000V，则组件串联数应小于等于1000/51.94≈19，逆变器MPPT跟踪范围为450～820V时，串联数可选择13≤N≤22，结合最大开路电压可选择阵列最大串联数为19块/串，但考虑到站区布置及施工安装等因素，工程一般选用18块/串。

但在该项目地极端温度下，18块/串的理论设计值在实际情况下开路电压是否在安全范围内，是否可以提高串联数来达到优化设计的目的，都需要我们进一步验证。而在国内外对极端低温时组件实际开路电压检测实验与方法的研究很匮乏，文章将通过计算机建模仿真及搭建实验平台的方法对阵列最大串联数设计进行验证和优化。

2 验证方法

2.1 通过光伏组件计算机仿真模型验证

根据光伏电池组件的物理特性等效电路及数学模型，基于Simulink仿真软件建立了光伏电池组件的仿真模型，仿真分析对于项目地极端低温下不同辐照度时太阳能光伏电池的开路电压输出。在Simulink模型合成界面内按照表1中TBEA 300Wp产品参数在图1仿真模型中进行设置，仿真结果见表3。

图1 太阳能光伏电池输出特性Simulink合成界面

表3 不同辐照度下光伏组件开路电压仿真输出统计表

从仿真数据可以看出，在该项目地极端低温的情况下，光伏组件开路电压随着辐照度的增加而升高。当辐照度1000W/m2时，开路电压升高至51.87V，与理论计算值51.94V相符，则工程项目光伏阵列串联数选取19块/串在系统最大电压范围内。然而每天的实际温度变化低温通常出现在夜间、早晨或者下午，夜间无太阳光，辐照度为零，早晨或者下午辐照度一般小于600W/m2。而600W/m2对应的开路电压为47.96V，如在该项目地最大光伏阵列串联数选用20块/串也在系统最大范围内。

2.2 通过实验平台模拟实际环境验证

由于国内用于光伏组件实验相关的检测设备大多用于老化测试，不具备同时模拟低温及辐照度可变化的实际工况。则本实验将采用氙气灯光源、光源固定支架、均匀光毛玻璃等模拟太阳光，通过调节组件至氙气灯光源的距离来得到不同辐照度；采用环境温度箱模拟项目地极端低温；将光伏组件、氙气灯光源、辐照仪置于环境温度箱内测试极端低温下光伏组件在不同辐照度时的开路电压值，以验证安全范围内的最大光伏阵列串联数，实验数据统计见表5。主要实验设备及仪器见表4所示。

表4 主要实验设备及仪器

表5 不同辐照度下光伏组件开路电压模拟输出统计表

从实验数据可以看出，在项目地极端低温的情况下，光伏组件开路电压随着辐照度的增加而升高。当辐照度1000W/m2时，开路电压升高至51.3V，比理论计算值及计算机仿真数据低，则工程项目光伏阵列串联数选取19块/串在系统最大电压范围内。在600W/m2对应的开路电压为47.45V，本项目如最大光伏阵列串联数选用20块/串也在系统最大范围内。

3 结束语

文章对光伏发电系统阵列最大串联数设计理论方法进行了分析，并以实际算例通过光伏组件计算机模型仿真及实验平台模拟两种验证途径对最大阵列串联数设计方法进行了验证，证明了设计方法的正确性与合理性；另外模型仿真及模拟实验得到的组件开路电压值比理论计算稍偏低，可知通过理论计算最出的最大阵列串联数偏于保守，在工程项目中根据组件参数、项目地极端低温等因素可进行优化设计；由于实验平台氙气灯光源不均匀度较之真实太阳光较差，则会对实验结果产生影响，即通过模拟实验得到的开路电压值比计算机仿真模型偏低，所以对模拟太阳光实验平台需进一步改善。

参考文献

[1]蒋华庆，贺广零，兰云鹏.光伏电站设计技术[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2]GB50797-2012.光伏发电站设计规范[S].

[3]GB/T 20513-2006.光伏系统性能监测测量、数据交换和分析导则[S].

作者简介：王静（1984-），女，陕西咸阳人，杭州电子科技大学学士学位，主要从事光伏发电系统设计工作。