光伏电站设计中组件串联数的计算优化

中国电子工程设计院有限公司 ■ 赵霞 于金辉 李晗 翟云飞 牛利芳 梁芳 王靖

0 引言

我国光伏产业经过多年发展，技术不断创新突破，装机容量持续增加至全球领先的规模，光伏产业链已趋成熟完善。当前，提质增效成为光伏产业新发展阶段的重要任务。因此，在安全高效的前提下，光伏电站的设计更需要考虑“降低发电成本、减少补贴依赖、优化发展规模”等因素，以提高电站运行质量，推动行业有序及高质量的发展。本文将从光伏电站设计中阵列设计，即组件串联数的计算这一细节入手，探讨其计算过程中存在的问题并进行优化，以有效降低光伏电站的建设成本，优化电站建设规模。

1 光伏电站设计中组件串联数计算存在的问题分析

目前，常规光伏电站中的光伏组件串联数是根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[1]中的组串计算公式来计算，即：

式中，Vdcmax为逆变器允许的最大直流输入电压，V；Vmpptmax为逆变器MPPT电压最大值，V；Vmpptmin为逆变器MPPT电压最小值，V；Voc为光伏组件的开路电压，V；Vpm为光伏组件的最佳工作电压，V；Kv为光伏组件的开路电压温度系数；K′v为光伏组件的工作电压温度系数；N为光伏组件串联数，N取整；t为工作状态下光伏组件的极端低温，℃；t′为工作状态下光伏组件的极端高温，℃。

从上述公式可以看出，组件串联数需保证同时满足逆变器的直流MPPT电压和最大直流允许电压的要求。

但该计算方式存在的问题是：在常规计算过程中，式中的t值一般取项目所在地的极端最低气温，而实际上极端低温t应该取工作条件下组件的极端低温，即有光照时组件的最低温度。然而现实中，在组件工作条件下，当阳光照到光伏组件上时，结温会立刻升高，并随着辐照度的增加而增加。因此，计算中取全天的环境极端低温直接计算，显然t值会偏低。

以上因素造成在利用常规算法进行计算和设计时，存在极端低温取值偏低、开路电压偏大、组件串联数取值偏保守的问题。组件串联数偏小会导致在同样的设计容量下组串数增多，从而使组串汇流电缆增多、支架数量增多、用地增加，最终导致电站投资增大。因此，在实际设计过程中，可在常规算法的基础上根据实际运行环境优化计算。

2 组件串联数计算优化

2.1 光伏组件相关特性分析

光伏组件的电流主要受辐照度的影响，电压主要受组件工作温度的影响[2]，如图1所示；辐照度也会对电压有一定的影响。在组件串联个数计算中，主要用到的组件参数是组件开路电压、组件最大功率点电压。

图1 组件电压和组件工作温度的关系曲线

为了使光伏组件输出功率P最大，需要通过最大输出功率点跟踪方法，使电压V维持在最大功率点附近。在光伏发电系统中，由逆变器MPPT实现这一功能。组件输出功率与电压的关系曲线示意图如图2所示[3]。

图2 组件输出功率与电压的关系曲线

2.2 逆变器相关特性分析

逆变器MPPT控制的作用是调整电压至组件的最大功率点电压。以某500 kW逆变器参数为例，其主要参数数据如表1所示。

表1 某500 kW逆变器主要参数

在光伏发电系统中，随着太阳辐照度从日出开始逐渐增强，组件发电产生的电压也慢慢增大，当电压进入逆变器工作电压范围时，逆变器开始工作，整个系统进入发电状态；当组件电压继续升高进入逆变器MPPT电压范围时，MPPT会调整电压至最大功率输出点电压，使该路MPPT下所接组串产生最大功率。中午到傍晚的变化也是相同，随着太阳辐照度降低，组件电压减小，当电压低于逆变器最低工作电压时，逆变器停止运行。工作电压范围决定了逆变器每天启动与停止运行的时间，同理，满载MPPT电压范围则决定了MPPT满负荷运行的时间，这个范围越宽，逆变器获得的发电效率越高。

在组件串联数的计算中，主要用到的逆变器参数是逆变器直流侧最大开路电压和MPPT电压范围。从式(1)和式(2)可以看出，式(1)决定了组串最大电压在极端低温条件下不会超过逆变器最大直流输入电压，式(2)决定了组串在极端高温和极端低温条件下电压位于逆变器MPPT电压范围。而用常规算法计算时，限制组件串联数上限的往往是逆变器MPPT电压范围的上限。

值得注意的是，当组串电压高于MPPT电压范围的上限而低于逆变器最大直流输入电压时，逆变器仍具备对直流侧电压的控制能力。因此，通过电压控制功能，MPPT会将直流电压逐渐拉回850 V以下的正常工作范围内。一旦直流输入电压低于MPPT电压范围的上限，MPPT控制就会调整电压至最大功率点电压。

2.3 优化建议

在光伏电站设计过程中，建议组件串联数的确定应该以同时满足以下条件作为取值标准：1)计算组串最高电压，并根据环境极端低温修正到电池结温；2)组串在任何发电运行工况下，电压都不超过逆变器允许的直流输入电压范围(工作电压范围)；3)组件串联数的取值应统筹考虑电站整体发电量。

光伏组串的最高电压VOCARRAY等于最低工作温度下的开路电压[4]，计算式为：

光伏组串的最低电压VmARRAY为：

光伏组件的串联数应满足：

式中，V′dcmax为逆变器和光伏组件允许的最大系统直流电压，取二者较小值，V。

3 两种计算方法的设计结果对比

以某光伏电站为例，采用2种计算方法分别计算并进行对比。该项目地的极端最高气温为38 ℃，极端最低气温为-20 ℃。采用290 Wp多晶硅光伏组件，组件开路电压为39 V，峰值功率电压为33 V，开路电压温度系数为-0.0033，工作电压温度系数为-0.0041。每1 MW为1个方阵，采用500 kW逆变器2台，逆变器最大直流输入电压为1000 V，MPPT电压范围为450～820 V。

1)常规计算方法：即组件串联数需保证同时满足逆变器的直流MPPT电压和最大直流允许电压的要求。采用式(1)和式(2)计算，可得最大组件串联数为20个。

2)优化后的计算方法：由于此项目地极端最低温度为-20 ℃，非极寒地区，且达到极端最低气温的天数极少，因此，采用式(5)进行计算，即组件串联数保证满足最大直流允许电压的要求，略高于逆变器的直流MPPT电压最大值，可得最大组件串联数为22个。

3.1 系统效率对比分析

两种计算方法得出的组件串联数不同，因此同等容量下的组串数量不同，使得线损不同，导致发电效率有差别，从而影响最终发电量。组件串联数越大，组串电压越高，线损越低，从而可提升发电效率。

在本案例中，两种计算方法的系统效率对比结果如表2所示。

表2 两种计算结果对系统效率的影响

由此可见，在本案例中，采用优化后的计算方法可以使组串电压提高10%，线损减少21%，发电效率提升约0.25%。因此，在同等辐照度和相同容量条件下，优化后的算法可使发电量提升约0.25%。

3.2 投资成本对比分析

两种计算结果对投资成本的影响主要体现在光伏发电系统直流侧的成本和支架土建基础的成本。

在本案例中，两种计算方法的投资成本对比结果如表3所示。可知，采用优化后的计算方法，每个发电单元节省了16个支路，可节约1台汇流箱，直流电缆减少了9.2%的用量；同时，虽然每个发电单元节省了16个支路，但支架大小有所增加，整体支架钢材的用量变化不大，而支架土建基础投资会减少约9.2%。

表3 两种计算结果对投资成本的影响

4 结论

本文探讨了光伏电站设计中组件串联数的计算方法，对现有计算方法存在的问题进行了分析，提出了优化建议，并对两种计算方法产生的结果进行了系统效率和投资成本方面的对比分析。采用优化后的计算方法可在光伏电站设计中降低投资成本，同时提升系统效率；但也存在极少数极端天气情况下，逆变器无法输出最大功率的风险。因此，在实际设计过程中，需要进行气象条件分析，根据项目地的实际极端气温、出现时间点及天数，从系统效率、投资成本和极端低温运行减损的发电量几个方面进行综合对比，从而选择最具经济性的方案。