不同标称功率光伏组件替换使用时的模型研究

许鹏 尤雪宁 闫德霖 陈铭朗 万浩然 何景晨

摘 要：针对某类光伏组件无备件更换时替换成其他标称功率光伏组件使用的可行性进行研究，通过Matlab软件仿真模拟不同标称功率光伏组件串联后的输出特性曲线，以实物实验来验证效果；并对不同标称功率光伏组件构成的光伏组串运行时的温度进行测试，用于判断光伏组件是否存在发热烧坏的情况。结果显示：1）采用不同标称功率光伏组件形成的光伏组串的I-U曲线和P-U曲线均在达到最大值之前出现了一个拐点，曲线不如采用相同标稱功率光伏组件时的平滑。2）当两块较大标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较小标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率会降低，但输出功率的这种变动不影响光伏组件的正常使用；而当两块较小标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较大标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率基本不变。由此可知，当相同标称功率的光伏组件备件不足时，最好替换的光伏组件不要与被替换光伏组件的标称功率差异太大，否则容易引起光伏组串较大的输出功率损失。3）低标称功率的光伏组件与高标称功率光伏组件串联后，光伏组件的表面温度在正常范围内，光伏组件可正常运行。该研究为光伏组件备件不足带来的困扰提供了解决方案。

关键词：光伏阵列；光伏组串；光伏组件；输出特性；仿真模拟；标称功率

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

光伏阵列一般是选用类型和性能参数均基本一致的光伏组件进行串并联，以保证串联时的电流基本一致、并联时的电压基本一致。当光伏组件损坏后，为维持光伏阵列的总体输出功率，新旧光伏组件混用已成常态。但随着光伏产业快速发展、光伏产品更新迭代，考虑到光伏组件使用寿命长达25～30年，需要更换的光伏组件极有可能已不再生产，因此，有必要对不同类型光伏组件替换使用的问题进行研究。

基于此，本文针对某标称功率光伏组件无备件更换时使用其他标称功率光伏组件的可行性进行研究，通过Matlab软件仿真模拟不同标称功率光伏组件串联后的输出特性曲线，以实物实验来验证效果，并对不同标称功率光伏组件构成的光伏组串运行时的温度进行测试，用于判断光伏组件是否存在发热烧坏的情况。

1  不同标称功率光伏组件替换使用时的模型设计

不同标称功率的光伏组件替换使用时会存在两种情况：一种是以大标称功率的光伏组件替换小标称功率的光伏组件，另一种是以小标称功率的光伏组件替换大标称功率的光伏组件。可基于不同标称功率光伏组件替换使用时的光伏组串输出特性来探讨其替换使用的可行性。

首先需要构建光伏组件等效电路模型[1-2]，得到的模型如图1所示。图中：I为光伏组件的理想输出电流；U为光伏组件的理想输出电压；Ioh为光伏组件光生电流；Id为暗电流；Ish为流过并联电阻的电流；Rsh为光伏组件等效并联电阻；Rs为光伏组件等效串联电阻，是为研究太阳电池内部电阻、电路两极间电阻和光伏组件表面电阻等的情况而设计的。

光伏组件等效电路模型的I-U特性方程[3]可表示为：

式中：e为自然常数；q为电荷量，取值1.602×10-19 C；n为二极管理想因子，一般取值1～2；k为玻尔兹曼常数，取值1.38×10-23 J/K；T为太阳电池热力学温度。

式（1）展现了光伏组件内部各因素与光伏组件等效电路模型输出特性之间的关系，但光伏组件光生电流、暗电流、二极管理想因子、光伏组件等效并联电阻、光伏组件等效串联电阻等均不易测得，且该方程很难求解。因此需要通过简单模型进行推导，以方便实际应用。设立中间系数C1、C2，可将式（1）改进为：

式中：Isc为短路电流；Uoc为开路电压。

中间系数C1、C2可表示为[4]：

式中：Im为最大功率点电流；Um为最大功率点电压。

对式（2）进行整理可得：

当光伏组件为开路状态时，将I=0，U=Uoc带入式（5），可得：

再将I=Im，U=Um带入式（5），可得：

光伏阵列是由光伏组件通过串、并联形成，假设某光伏阵列由N块光伏组件串联而成，则该光伏阵列的输出电流等于光伏组件的输出电流，光伏阵列的直流输出电压等于N倍的光伏组件输出电压。因此，光伏阵列的数学模型可表示为：

假设光伏阵列由两块标称功率不同的光伏组件串联而成[5]，当第1块光伏组件的光生电流Ioh1大于第2块光伏组件的光生电流Ioh2时，式（8）可转换为：

当第1块光伏组件的光生电流Ioh1小于第2块光伏组件的光生电流Ioh2时，式（8）可转换为：

（10）

2  模型建立与仿真

本实验采用的光伏组件的标称功率分别为350 W和260 W，分别研究两块相同标称功率光伏组件串联时和两块不同标称功率光伏组件串联时的输出特性，以用于分析光伏阵列中采用不同标称功率光伏组件的可行性。因此，本实验共采用3种光伏组件串联方式，即：两块标称功率均为350 W的光伏组件串联形成的光伏组串（下文简称为“350-350 W光伏组串”）、两块标称功率均为260 W的光伏组件串联形成的光伏组串（下文简称为“260-260 W光伏组串”）、两块标称功率分别为350 W和260 W的光伏组件串联形成的光伏组串（下文简称为“350-260 W光伏组串”）。利用Matlab软件分别对这3种光伏组串的输出特性进行模拟。

350 W光伏组件和260 W光伏组件的各项参数分别如表1、表2所示。

为了防止热斑效应损坏光伏组件，光伏组件串联时，每块光伏组件均并联一个旁路二极管，并在支路首段并联一个防逆流的二极管；同时可根据文献[6-7]配置出最优的旁路二极管方案，有助于减少光伏组件失配损失和避免热斑效应的产生。本实验中的旁路二极管均为光伏组件出厂自带。光伏组件串联结构图如图2所示。

利用Matlab软件仿真光伏组串的I-U、P-U特性[8-9]，当采用350-350 W光伏组串时，仿真得到该光伏组串的I-U曲线、P-U曲线如图3所示。

当采用260-260 W光伏组串时，利用Matlab软件仿真模拟得到该光伏组串的I-U曲线、P-U曲线如图4所示。

由图3、图4可知：350-350 W光伏组串的最大输出功率为700 W，260-260 W光伏组串的最大输出功率为520 W。

当采用350-260 W光伏組串时，利用Matlab软件仿真得到该光伏组串的I-U曲线、P-U曲线如图5所示。

由图5可知：该光伏组串可达到的最大输出功率为520.9 W。

结合图3～图5可以发现：

1）在相同环境条件下，相同标称功率光伏组件形成的光伏组串的I-U曲线和P-U曲线均较为平滑，与其不同的是，采用不同标称功率光伏组

件形成的光伏组串的I-U曲线和P-U曲线均在达到最大值之前出现了一个拐点，曲线不如采用相同标称功率光伏组件时的平滑。

2）采用不同标称功率光伏组件形成的光伏组串的最大输出功率比采用两块较大标称功率光伏组件形成的光伏组串的最大输出功率小，但比采用两块较小标称功率光伏组件形成的光伏组串的最大输出功率略大，但增大的幅度有限，可忽略不计。也就是说，当两块较大标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较小标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率会降低，但输出功率的这种变动不影响光伏组件的正常使用；而当两块较小标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较大标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率基本不变。由此可知，当相同标称功率的光伏组件备件不足时，最好替换的光伏组件不要与被替换光伏组件的标称功率差异太大，否则容易引起光伏组串较大的输出功率损失。

该仿真实验验证了光伏组件替换使用的可行性，为备件不足带来的困扰提供了解决方案。

3  实物验证

3.1 光伏组串输出特性测试

对上文提到的3种光伏组串进行实物测试，根据测试得到的多组数据，生成各自的I-U曲线。3种光伏组串的实物图如图6所示。

根据测试数据得到的3种光伏组串的I-U曲线如图7所示。

由图7可知：当采用不同标称功率的光伏组

件时，随着输出电压的增大，光伏组串的输出电流受小标称功率光伏组件的限制，但不影响光伏组件的使用；且相较于采用相同标称功率光伏组

件的光伏组串，采用不同标称功率光伏组件的光伏组串的I-U曲线多了一个拐点，这与上文仿真分析时得到的结论一致。

3.2  光伏组件表面温度测试

考虑到不同标称功率光伏组件串联可能会出现光伏组件发热烧坏的情况，分别将标称功率为260 W和350 W的光伏组件与标称功率为470 W的光伏组件串联（分别形成“260-470 W光伏组串”和“350-470 W光伏组串”）运行，在天气晴朗的14：00～15：00期间，通过测温仪测试光伏组件表面的温度，并对比温度变化。根据测试数据得到的温度曲线如图8所示。

由于测试中的光伏组件是平铺在水平面上，相较于有安装倾角的光伏组件，其散热较慢，但根据测试得到的数据发现：不同光伏组串中的光伏组件表面温度的最大温差不超过6 ℃，并未出现光伏组件发热烧坏的情况。通过实物测试发现，

低标称功率的光伏组件与高标称功率光伏组件串联后，光伏组件的表面温度在正常范围内，光伏组件可正常运行。

4  结论

针对某类光伏组件无备件更换时替换成其他标称功率光伏组件使用的可行性进行研究，通过Matlab软件仿真模拟了不同标称功率光伏组件串联后的输出特性曲线，以实物实验验证了效果；并对不同标称功率光伏组件构成的光伏组串运行时的温度进行了测试，用于判断光伏组件是否存在发热烧坏的情况。结果显示：

1）采用不同标称功率光伏组件形成的光伏组串的I-U曲线和P-U曲线均在达到最大值之前出现了一个拐点，曲线不如采用相同标称功率光伏组件时的平滑。

2） 当两块较大标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较小标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率会降低，但输出功率的这种变动不影响光伏组件的正常使用；而当两块较小标称功率光伏组件串联时，其中一块被替换为较大标称功率光伏组件后，其整体的最大输出功率基本不变。由此可知，当相同标称功率的光伏组件备件不足时，最好替换的光伏组件不要与被替换光伏组件的标称功率差异太大，否则容易引起较大的输出功率损失。

3） 低标称功率的光伏组件与高标称功率光伏组件串联后，光伏组件的表面温度在正常范围内，光伏组件可正常运行。

仿真结果和实验研究的结论一致，验证了不同标称功率光伏组件替换使用的可行性，为备件不足带来的困扰提供了解决方案。但由于实验的局限性，本文仅对几种标称功率的光伏组件进行了研究，对其他标称功率光伏组件串联使用时的影响因素有待进一步研究。该研究一方面提高了光伏发电系统的可维护性、保证了系统的正常运行；另一方面提高了光伏组件的利用率、降低了物料的淘汰率、减少了物料的浪费、最大化利用了光伏组件，为光伏电站的可持续运行提供了支撑。

[参考文献]

[1] 张峥，景敏，乔怡. 基于Matlab/Simulink的光伏电池输出特性仿真分析[J]. 四川电力技术，2016，39（5）：14-18.

[2] 赵乐，张彦晓. 基于Simulink光伏电池建模及其输出特性仿真研究[J]. 现代电子技术，2014（10）：156-157，162.

[3] 颜景斌，佟尧，曹雷，等. 局部阴影条件下光伏电池建模与输出特性仿真[J]. 电源技术，2018，42（5）：685-688，692.

[4] 任航，叶林. 太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究[J]. 电力自动化设备，2009，29（10）：112-115.

[5] 贾言争，李凤婷，朱贺，等. 阴影对串联光伏阵列输出特性的影响[J]. 电源技术，2014，38（5）：844-846，854.

[6] 张明锐，陈喆旸，韦莉. 不同旁路二极管配置下光伏组件阴影耐受性定量计算[J]. 太阳能学报，2019，40（7）：1938-1943.

[7] 吴茜琼，常晓颖. 基于Matlab/Simulink的太阳能电池特性分析[J]. 华北水利水电学院学报，2010，31（5）：90-92.

[8] 崔岩，蔡炳煌，李大勇，等. 太阳能光伏模板仿真模型的研究[J]. 系统仿真学报，2006，18（4）：829-831，834.