局部阴影条件下光伏发电系统的优化设计

林 冲，陈 清，古 涛，张立学，赵永彬

（国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京210032）

1 引言

在光伏发电系统设计中，光伏组件方阵的组串结构形式及组件匹配对光伏系统效率转换有很大的影响，从而影响到光伏发电系统的发电能力。光伏阵列的组件串联因为电流不一致产生的效率降低，前后排阵列遮挡、光伏组件局部遮挡、组件表面积尘等是影响系统效率、减少电站发电量的重要因素之一。

由于光伏组件具有固定的输出特性曲线，为保证电池发电效率，在进行光伏发电优化设计时，需要对光伏组件输出进行最大功率跟踪，优化组串结构设计，保证光伏组件输出功率曲线在最大跟踪点，尽可能多地捕捉太阳能辐照量产生电能。同时将定期、及时对组件进行清洗，但组件上的灰尘或积雪造成的污染仍会对发电量造成影响，造成年系统效率折减。

在实际工程应用中，光电场中的立杆，如光伏组件阵列中的避雷针、场地中既有的建筑物、光伏组串设计合理性等也会影响光伏系统的效率。因此，在光伏系统设计时应根据电站实际安装条件，综合考虑组件遮挡和不可避免的积尘的影响，对光伏系统进行优化设计。

2 电站实验及方法

遮挡模式和串并联模式测试方法见图1和图2。组串和组串之间的差别测试结果如表1。

表1 阴影遮挡不一致输出

2.1 常见遮挡模式

图1 常见6种遮挡模式

2.2 两种测试方法

图2 组件串并联测试方法

2.3 效率的不一致性研究

不同串并联结构导致最佳阴影分布呈不同特点。

从表1可以看到组串仅仅产生0.15%的不一致时，输出功率可能会跌落2%～4%；当产生10%的不一致率时，输出功率差值约在13%～36%。

2.4 光伏系统典型设计

典型案例：光伏支架上下2排均匀布置20块光伏组件（图3）。

图3 光伏方阵排布模型

2.5 部分遮挡时光伏组件仿真模拟

冬至日不同时段部分遮挡仿真模拟见图4～图9，遮挡分布见图10。

图6 冬至日Date：09h00阴影（无）

图7 冬至日Date：15h00阴影（无）

综上光伏组件遮挡时仿真模拟分析可得知：

（1）光伏组件呈2排对称布置时候，为了充分利用太阳能辐照，设计时需充分考虑光伏阵列前后间距，确保光伏组件冬至日9：00～15：00不能被遮挡。

图8 冬至日Date：15h30局部阴影

图9 冬至日Date：16h00局部阴影

图10 冬至日阴影遮挡分布

（2）光伏支架间距计算满足冬至日间距要求下，尽可能优化光伏系统电气设计，上下排组件设计成并联输出，减少上下串联设计，避免出现常见遮挡模式4下组件输出功率衰减。通过上述仿真太阳运动轨迹可以发现阴影遮挡时出现在同一排组件上，光伏支架底部组件全部遮挡时需要1h，同时段光伏支架顶部同一排组件不受阴影遮挡。在不改变光伏阵列间距的情况下，整个光伏系统不受遮挡运行时间增加，太阳能水平辐射量不变的情况下整个系统可以更多地产生电能，增加发电量。

3 局部阴影对阵列输出特性的影响

如果光伏系统中其中一块光伏组件被遮挡，被遮挡电池片将会通过旁路二极管工作，当被遮挡电池的二极管超过击穿电压后，形成热斑效应，长久下去该电池将被击穿或损坏。众所周知，光伏发电系统是由多块光伏组件串联结构组成经汇流再通过逆变器产生交流电流，若阵列中的某一块组件I－V和P－V特性曲线受到影响，将影响整个串联回路I－V输出特性曲线，串联回路输出电流减小，从而降低整个系统的光伏发电转换效率。经多项研究发现，若有不同程度遮挡则发电量较无遮挡时会减少约10%～30%。

目前关于电池单元及单块组件的遮挡实验和模拟很多，采用不同的遮挡方式及遮挡比例，来研究光伏阵列被遮挡后的电流、电压和功率的变化，以此来研究遮挡对阵列发电量的影响。以下试验通过多块光伏组件串联和并联，通过对单块光伏电池物理模型调整，得出电池组件在不同遮挡情况下伏安特征曲线，如图11～图13所示。

图11 没有遮挡光伏组件的I－U特征曲线

图12 遮挡（一块）光伏组件的I－U特征曲线

图13 遮挡（两块）光伏组件的I－V特征曲线

4 光伏阵列的优化设计

基于上述仿真试验与分析，局部阴影条件下光伏阵列优化设计的基本原则如下。

（1）根据电站的实际安装环境，计算阴影长度和建立模型模拟阴影变化和遮挡范围、设计时需充分考虑光伏阵列前后间距，确保光伏组件冬至日9：00～15：00不能被遮挡。

（2）系统容量已设定条件下，光伏系统阵列及组串设计在保证满足系统工作电压要求的前提下，尽可能调整光伏阵列的串并联数量，将系统优化设计成多回路并联汇流输出，避免单一回路输出。

（3）设计过程中要避免光伏组件处于阴影中，同时为了保护光伏组件，避免局部遮挡造成光伏组件热斑现象；系统应在光伏阵列末端加装防反二极管，防止其它组串反向电压加载在遮挡组串回路两端产生负载效应，损耗光伏系统电能。

（4）固定支架上下排安装光伏组件情况下，组串结构方式优化设计成上下排组件独立回路输出，避免上下交叉串联，再并联输出。这样可以避免上下排组件同时被局部遮挡和更多获取太阳能辐照量，增加系统发电量。

（5）在不同安装地、不同季节时段，阴影长度和变化范围较大，可用常见遮挡模式下组件效率输出特性对各种可能的阴影条件进行选择，筛选出综合效果好的方案。

5 结论与讨论

本文对部分遮挡时光伏组件串并联结构设计的情况进行了分析和常见部分遮挡模式模拟仿真。

综上所述，组件遮挡对光伏阵列的功率输出特性具有十分重要的影响，通过部分遮挡模拟仿真对典型工程设计项目进行了验证。总结了阴影遮挡组件不同程度对光伏阵列功率输出影响，提出适用性较广的光伏阵列优化设计方法提高系统转换效率，为光伏发电系统的工程设计提供有力的支持。

［1］冯宝成，苏建徽.部分遮挡条件下光伏组件的建模与仿真研究［J］.电气传动，2011，41（7）.

［2］周 磊，刘 翼，雷 涛，等.间歇性遮挡对光伏组件发电量影响的研究［J］.现代电力，2012，29（1）.

［3］肖景良，徐 政，林 崇，等.局部阴影条件下光伏阵列的优化设计［J］.中国电机工程学报，2009，29（11）.

［4］刘晓艳，祁新梅，郑寿森，等.局部阴影条件下光伏阵列的建模与分析［J］.电网技术，2010，34（11）.

［5］云志刚，杨 宏，李文滋.光伏组件中电池遮挡与I＿V曲线特性变化关系［C］//组委会.第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛论文集.深圳：第八届全国光伏会议暨中日光伏论坛组委会，2004.

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50797－2012光伏发电站设计规范［S］.北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，2012.

［7］Quaschning V，Hanitsch R.Influence of shading on electricalparameters of solar cells［C］.Photovoltaic Specialists Conference，Conference Record of the Twenty Fifth IEEE，Washington DC，USA，1996：1287～1290.