组串不同接线方式对光伏组件发电量的影响分析

2020-06-09关连松田介花

太阳能 2020年5期

关连松，陆炜，田介花

(1. 江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司，启东 226246；2. 江苏林洋新能源科技有限公司，南京 210004)

0 引言

双面光伏组件具有正面和背面都能发电的能力，为了提高投资收益，越来越多的光伏电站采用了双面光伏组件。多个光伏组件串联组成组串，组串的接线方式主要有C 字形接线方式、一字形接线方式和环回交叉接线方式3 种。双面光伏组件的发电特性不同于单面光伏组件，本文研究了单面和双面光伏组件在组串采用不同连接方式时的发电特性，并通过实证电站和PVsyst 软件进行了发电量验证；同时还研究了组串不同接线方式时影响双面光伏组件发电量的3 个主要因素。

1 组串接线方式

组串的接线方式主要有C 字形接线方式、一字形接线方式和环回交叉接线方式，目前在工程领域中应用较多的是C 字形接线方式和一字形接线方式，因此本文只对这2 种接线方式进行分析。

1.1 C 字形接线方式

C 字形接线方式如图1 所示。此种接线方式中，光伏组件分为前、后两排，相邻的光伏组件进行串接后，前、后排组件再串接在一个回路里，接线完成后形成“C”字，因此称为C 字形接线方式。

C 字形接线方式的优点是可依靠组件自身的电缆连接形成回路，线缆总长度较短，线损较小；缺点是当后排组件受到阴影遮挡时，由于前、后排组件串接在一个回路里，会影响前排未受到阴影遮挡的组件的发电量，光伏组件失配损失较大。

1.2 一字形接线方式

一字形接线方式如图2 所示。光伏组件均在同一排，将相邻的光伏组件进行串接，通过最后一块组件额外增加一根电缆，形成回路，完成一字形接线方式。

图2 一字形接线方式Fig. 2 one-line-shaped wiring method

一字形接线方式的优点是当发生前、后排阴影遮挡时，只会影响单排光伏组件，失配损失较小；缺点是需要额外增加一根较长的电缆形成回路，增加了线路成本并产生线路损耗。

2 组串不同接线方式时2 种光伏组件发电量的实证与模拟

2.1 发电量实证研究

实证系统位于连云港市朝阳区的地面光伏电站内。系统采用290 W 的n 型双面单晶硅光伏组件(下文简称“双面组件”)，组件安装倾角为21°，采用横向4 排的排列方式，组件下沿离地高度为2 m；组串的接线方式分别采用C 字形接线和一字形接线2 种，组串容量均为102.08 kW。在同一电站中，采用与双面组件安装倾角、组件排列方式及组件下沿离地高度均相同的单面单晶硅光伏组件(下文简称“单面组件”)，组串的接线方式也分别采用C 字形接线和一字形接线，且组串容量均为105.60 kW。单面组件和双面组件的数据采集周期均为2018 年3 月～2019 年2 月。

图3 2 种光伏组件横向4 排布置的示意图Fig. 3 Four-row horizontal layout of two kinds of PV modules

在为期1 年的测试周期内，单面组件组串和双面组件组串采用C 字形接线方式时比采用一字形接线方式时每kW 的发电量增益情况如表1 所示。

表1 2 种组串不同接线方式时每kW 的发电量增益情况Table 1 The power generation gain per kW when the two kinds of PV modules strings are wired in different ways

由表1 中的数据可知，在为期1 年的测试周期里，单面组件组串采用C 字形接线方式时其每kW 全年发电量比采用一字形接线方式时的高0.12%；而双面组件组串采用C 字形接线方式时其每kW 全年发电量比采用一字形接线方式时的高0.26%。由此可知，组串的接线方式对双面组件发电量的影响要比对单面组件的大。

由表1 还可以发现，2018 年3～10 月期间，单面组件组串与双面组件组串在采用C 字形接线方式时每kW 的发电量都要高于其采用一字形接线方式时。造成这一结果的原因是由于春季、夏季太阳高度角较高，前、后排组件的阴影遮挡较少，因此，C 字形接线方式的阴影遮挡损失减少；同时，这两季光照好，组件发电量高，而且随着环境温度升高，导线工作温度也相应升高，再加上一字形接线方式的线路较长，线损也相应增加，因此在春、夏两季，组串采用C 字形接线方式时的发电量要高于其采用一字形接线方式时。

而2018 年11 月～2019 年2 月期间，单面组件组串与双面组件组串在采用一字形接线方式时每kW 的发电量均高于其采用C 字形接线方式时。这是由于秋、冬季太阳高度角低，前、后排组件的遮挡较春、夏两季多，C 字形接线方式时组件的阴影遮挡损失变大；同时，秋、冬季时组件发电量比春、夏两季时小，随着环境温度降低，导线的工作温度随之降低，一字形接线方式的线损相应减小，因此在秋、冬季，组串采用一字形接线方式时的发电量要高于其采用C 字形接线方式时。

2.2 发电量模拟研究

上文对采用不同组串接线方式时双面组件与单面组件发电量实证数据进行了分析，现利用PVsyst 软件对上述2 种组串分别采用C 字形接线方式时比采用一字形接线方式时每kW 发电量增益情况进行模拟，并与实际值进行对比。具体如表2 所示。

表2 单面组件组串和双面组件组串分别采用2 种接线方式时每kW 发电量增益模拟值与实际值Table 2 The simulation value and actual value of the gain per kW of power generation when the single-sided and the bifacial PV modules strings respectively use two kinds of wiring methods

从表2 中的数据可以看到，在1 年的测试周期内，C 字形接线方式相较于一字形接线方式，单面组件组串每kW 全年发电量增益的模拟值为0.07%、实际值为0.12%，双面组件组串每kW 全年发电量增益的模拟值为0.06%、实际值为0.26%。对于C 字形接线方式相较于一字形接线方式的每kW 全年发电量增益，从模拟值来看，单面组件组串与双面组件组串的差异不大；但是从实际值来看，双面组件组串比单面组件组串更有优势。

由表2 还可以看到，对于双面组件组串每kW 发电量增益的情况，在2018 年3～10 月期间，大部分月份为实际值大于模拟值；在2018 年11月～2019 年1 月期间，实际值与模拟值接近；而2019 年2 月的实际值与模拟值相差较大。

3 组串不同接线方式时双面组件发电量的影响因素分析

前、后排阴影遮挡，电缆线损和双面组件背面失配是组串不同接线方式时影响双面组件发电量的3 个主要因素。

3.1 前、后排阴影遮挡的理论与模拟分析

3.1.1 理论分析

光伏电站在设计时要保证冬至日太阳时09:00～15:00，光伏方阵前、后、左、右无阴影遮挡[1]；但在其他时间，光伏方阵的前、后排还是会存在阴影遮挡的情况。图4 和图5 分别为C字形接线方式和一字形接线方式时，前排组件的影子落到后排组件上所产生的阴影遮挡情况。

由图4 和图5 可以看到，采用C 字形接线方式时，由于前、后排组件在同一个组串中，后排组件的阴影遮挡会影响处于同一回路里前排组件的发电量。而采用一字形接线方式时，前、后排组件处于不同的回路，相互间不影响发电量。所以在前、后排阴影遮挡条件一定的情况下，采用C 字形接线方式时受阴影遮挡影响的组件数量是采用一字形接线方式时的1 倍。

3.1.2 模拟分析

利用PVsyst 软件建立双面组件采用2 种接线方式时的模型，进行阴影遮挡损失分析，具体如图6 所示。

图4 C 字形接线方式时的阴影遮挡情况Fig. 4 Shadow occlusion in the case of C-shaped wiring method under shadow

图5 一字形接线方式时的阴影遮挡情况Fig. 5 Shadow occlusion in the case of one-line-shaped wiring method

图6 双面组件组串采用2 种接线方式时的阴影遮挡情况模型Fig. 6 Model of shadow occlusion when bifacial PV modules string adopt two kinds of wiring methods

根据PVsyst 软件的模拟结果，双面组件组串采用C 字形接线方式时，由阴影遮挡造成的全年发电量损失为0.15%；采用一字形接线方式时，由阴影遮挡造成的全年发电量损失为0.11%。

3.2 电缆线损的理论与模拟分析

3.2.1 理论分析

光伏组件输出的是直流电。直流电缆线损的计算式如式(1)所示[2]：

式中，ΔP为直流电缆线损，W；ΔU为电压降，V；Rθ为导线工作温度为θ时的电阻，Ω。

ΔU的计算式为：

式中，I为导线电流，A。Rθ的计算式为：

式中，L为线路长度，m；A为导线截面，mm2；Cj为绞入系数，单股导线为1；ρθ为导线

工作温度为θ时的电阻率，Ω·m。其中，ρθ的计算式为：

式中，ρ20为导线工作温度为20 ℃时的电阻率，Ω·m；α为电阻温度系数。

根据式(1)～式(4)，并结合图1、图2 可以发现，采用一字形接线方式时，电缆的用量会比采用C 字形接线方式时多，因此，采用一字形接线方式时的直流电缆线损会比采用C 字形接线方式时大。

3.2.2 模拟分析

利用PVsyst 软件进行模拟分析，由于实证系统的发电量数据采集的是逆变器数据，所以系统的线路损耗主要是直流电缆线损。双面组件采用4 mm2的光伏专用电缆，在C 字形接线方式时使用的电缆长度为400 m；而在一字形接线方式时使用的电缆长度为912 m，是C 字形接线方式的2 倍多。PVsyst 软件的模拟结果显示，C 字形接线方式时的直流电缆线损是0.12%，一字形接线方式时的是0.36%。

3.3 双面组件背面失配的理论与模拟分析

3.3.1 理论分析

双面组件的背面可以接收地面的反射光和散射光进行发电。在光伏电站中，光伏组件是以一定倾角安装在支架上，支架上组件位置不同，组件背面接收到的地面反射光和散射光也存在不同[3-4]。

由于春、夏两季地面反射光和散射光较强，同一支架上不同排的双面组件，其背面接收到的光线的不均匀度要比光照不强烈的秋、冬季时高[3-5]。如果将前、后两排光伏组件串联到一个回路里，由于这两排组件背面接收的光照不均匀，因此会产生失配现象，造成背面失配损失。一字形接线方式时，组件背面的失配损失相对较小；C 字形接线方式时，由于前、后排组件间的光照差异，组件背面的失配损失会比一字形接线方式时大。

3.3.2 模拟分析

由于很难测出实际情况下双面组件因背面光照不均匀而造成的背面失配损失，因此，利用PVsyst 软件来模拟双面组件背面的失配情况。在建模时，将双面组件的正面遮挡，进而模拟双面组件背面的发电量。图7 为双面组件横向4 排布置的示意图。

图7 双面组件横向4 排布置的示意图Fig. 7 Schematic diagram of four-row horizontal layout of bifacial PV modules

图7 中双面组件横向4 排布置时，组件下沿离地高度是从低到高，第1 排最低，第4 排最高。当采用一字形接线方式时，每1 排就是1 个组串；当采用C 字形接线方式时，1～2 排组成一个组串，3～4 排组成一个组串。利用PVsyst 软件分别模拟了采用2 种接线方式时不同排双面组件背面的每kW 全年发电量情况，具体如表3 所示。

表3 不同接线方式时不同排双面组件背面的每kW全年发电量Table 3 Annual power generation per kW on the back of bifacial PV modules of different rows with different wiring methods

根据表3 中的数据可知，双面组件横向4 排布置时，采用一字形接线方式时，第4 排的位置最高，背面每kW 全年发电量也最高；第1 排的位置最低，但背面每kW 全年发电量次之；第2、3 排接收的光照较少，背面每kW 全年发电量都相对较低；但总体而言，前3 排组件的背面每kW 全年发电量相差不大。采用C 字形接线方式时，位置较低的第1～2 排组件的背面每kW 全年发电量低于位置较高的第3～4 排组件。

将2 种接线方式进行对比可以发现，C 字形接线方式时第1～2 排、3～4 排组件的背面发电量均低于一字形接线方式时第1 排和第2 排、第3 排和第4 排组件的背面发电量。这是因为采用C 字形接线方式时第1～2 排组件在一个回路里，产生了串联失配，因此背面发电量低于采用一字形接线方式时第1 排和第2 排组件的背面发电量。由表3 中的数据还可以发现，C 字形接线方式相对于一字形接线方式，第1～2 排双面组件的背面失配损失是23.4%，第3～4 排双面组件的背面失配损失是20.5%。由于双面组件的发电量是正面和背面的综合发电量，而双面组件背面所接收到的光线只是正面时的3%～15%，因此，双面组件背面失配对双面组件综合发电量的影响约为0.6%～3%。

当考虑双面组件的综合发电量时，不同接线方式时不同排双面组件每kW 的全年发电量情况如表4 所示。