光伏组串的布置与接线方式对发电量的影响研究
摘要：
在大型光伏电站中，最常规的光伏支架单元设计是光伏组件的布置为竖向双排或横向三排、四排等，一个支架单元上通常安装一个组串或两个组串，具体组件数量由组串中组件串联数量决定。本文基于PVsyst分析，光伏组串的电气接线方式不同对光伏电站的发电量影响，通过分析模拟，本文验证了组件横向布置发电量优于竖向，本文提出了光伏支架单元上的光伏组件上排与下排分别串联为不同的组串，且上下排的组串分别接入不同的集中式逆变器、组串逆变器或者同台逆变器的不同MPPT及集散式逆变器方案中一台集散汇流箱的不同MPPT，这样的接线方式可以有效提高发电量。
0 引言
随着我国经济的快速发展，经济增长与资源耗费和环境污染之间的矛盾愈发突出，自然资源的可持续利用已成为经济社会持续发展的关键，经济再生产越来越依赖于自然生态环境的优化和再生产。光伏电站的建设，正在把保护环境、优化生态与提高效率、发展经济统一起来，提高了资源配置的高效性，促进了资源的可持续供给。光伏电站的建设有利于在持续利用资源的基础上，在资源环境与经济协调发展的过程中，实现经济效益最大化、生态效益最大化和社会效益最大化，是发展地区绿色经济的需要。
由于光伏发电项目初始投资成本高、回收周期长、光电转换效率低等特点，提升光伏电站发电量是个非常重要的课题。为实现发电量最大化，本文将从光伏组串的电气接线方式不同对光伏电站的发电量影响的角度，通过建立PVsyst软件模型，由浅入深，深入剖析由光伏安装支架形式不同(横排和竖排)而引起的阴影遮挡范围差异，结合光伏组件的电池片串联与旁路二极管特性，以及光伏逆变器的不同MPPT，分析从而为光伏电站发电量提升寻求最佳解决方案。
1 横排、竖排布置简介
常规光伏电站设计中，通常采用光伏组件竖向双排，而在较早的光伏电站中竖向双排，最近几年的设计中也有一些光伏电站采用了组件横向三排或四排设计。关于组件竖向、横向谁优谁劣之争，网上有较多的文章分析，观点大多数是单块组件被遮挡时发电量差异、支架用钢量差异、安装便利性差异。比如组件竖向安装，有易安装维护的优点：相比横向四排安装时组件的高度降低约0.7m，使得组件的安装和清洗更为方便,安装费用相对较低，同时后续的维护成本相对降低;光伏组件横向四排安装，一个支架单元上组串便于上两排、下两排分开C形串联，阴影遮挡影响发电量的损失更少，而且前后排的净间距更大，更有利于维护。但很多文章中基本没有分析光伏组串和光伏方阵系统性发电量差异的文章，而单块组件被遮挡的发电量差异无法代表一个组串被遮挡的发电量影响，更无法代表组串相互影响的匹配损失对一个子系统的发电量影响，如某文章对单块组件的遮挡分析：
图1-1 单块组件竖向阴影遮挡图 图1-2单块组件横向阴影遮挡图
图2 单块横向竖向被阴影遮挡输出功率分析
通过对一块光伏组件的实验，遮挡光伏组件的长边或短边方向的电池片，由上述分析表数据可知，在单块组件短边电池片和长边电池片被不同遮挡时，相比之下长边电池片被遮挡时发电量更高。这种差异跟光伏组件内部电路结构即电池片串联关系和旁路二极管的作用有关：以通常的60片电池片组件为例，由60片电池片串联而成，每20片加装1个旁路二极管，且组件横着放置时电池片串联方向基本是三个东西向U型支路，开口处加装一个旁路二极管。当一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。因此，旁路二极管的作用就是：当电池片出现热斑效应不能发电时，起旁路作用，让其它电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一片电池片出现问题而产生发电电路不通的情况。
单个光伏组件不同遮挡比较简单，可以通过一块组件和I-V测试仪在晴天时测试一下即可得到以上结果。对于一个组串、多个组串和一个子系统的测试，比较难操作。本文通过采用PVsyst软件，以某项目平地设计为参考，分析晶体硅光伏组件在1MW子系统中竖向、横向布置中的不同接线方式发电量差异，进而得出哪种布置方式和串联结构的更有优势。
图3 大型地面电站光伏组件竖向、横向布置
2 基于PVsyst 软件建模与仿真
2.1 PVsyst软件功能介绍
PVsyst是一款光伏系统设计辅助软件，用于指导光伏系统设计及对光伏系统发电量进行模拟计算。主要功能如下：设定光伏系统种类：并网型、离网型、光伏水泵等;设定光伏组件的排布参数：固定方式、光伏方阵倾斜角、行间距、方位角等;架构建筑物等对光伏系统遮阴影响评估、计算遮阴时间及遮阴比例;模拟不同类型光伏系统的发电量及发电系统效率;研究光伏系统的环境参数等。PVsyst软件在光伏行业中普遍使用，其功能毋庸置疑在光伏行业中得到了广泛应用。其中北京坎德拉学院在PVsyst光伏软件应用和国内推广方面做了很多的工作，多次开展了PVsyst软件从入门到高级应用的软件培训课程，并在官网推出来网络视频教学课程，最近发布了国内首版中文教程《PVsyst6.4.7中文操作实用指南》，推动了PVsyst软件在国内光伏行业的高质量应用。
2.2 1MWp光伏方阵系统设计
本文主要是以1MW光伏电站容量在PVsyst内建模，进行光伏组件竖排、横排及不同接线方式的模拟后对比发电量差异。以宁夏地区项目为例，采用260Wp光伏组件，每串22块。图4是光伏组件竖向布置在支架单元上和横向安装在支架单元上，以当地最佳倾角35度安装，不同布置类型的阵列面积尺寸和理论间距不同。图5为竖向双排安装1MWp方阵布置图，图6为横向四排安装1MWp方阵布置图，由图中面积可知，横排布置时比竖排布置面积稍大，但是这里面存在一些不确定的因素，比如说前后排之间裕度取值，会导致面积上有一定差异。如果南北宽度一定、道路长度确定，实际上面积增加只是阵列东西间距增多引起。关于占地面积的探讨，可以参考《光伏组件竖排、横排布置，谁的占地面积大?》，文章中有非常详细的分析(更正：原文中光伏组件横排4×11布置1MW子方阵图中尺寸标注失误，115.716米应为111.696米)。
图4-1 组件2×22 竖排安装 图4-2组件4×11 横排安装
图5 光伏组件竖排2×22 布置1MW子方阵
图6 光伏组件横排4×11布置1MW子方阵
2.3 基于PVsyst软件的组件竖向双排布置的模拟仿真
将上述的光伏方阵布置图5、图6在PVsyst中建模，为了方便建模及模拟的更接近实际大型地面电站中的1MW子系统，模型的布置图做了一些优化与改进。现将仿真建模的过程在下图7~13中逐一展现，同时为了保证建模的真实有效性，将一些常规量进行固化，只改变需要比较的变量参数。
图7-1 竖向双排软件建模
图7-2 竖向双排软件建模示意图
图8 阴影遮挡系数表(线性)
图9 光伏组件布置
图10 类型一：光伏组串设计一行一串
图11 类型二：光伏组串设计二行一串
图12-1 类型三：光伏组串设计一行一串但上下排分开模拟
图12-2 类型三：同样组件竖向安装，同时单行串联，但上下排分开模拟
将光伏阵列中的上排和下排分开模拟后，上排光伏组串阴影损失小，几乎没有;下排光伏组串阴影损失大。但是，分别接入逆变器后，发电量要比单行一串、两行一串混合接入逆变器的两种模拟发电量都高!同时光伏专用电缆也增加，PV1-F-1*4mm2电缆约增加数百米，大约700米(不同的子系统布置方式数据不同，仅供参考)，这是因为每台直流防雷汇流箱的接入组串的范围扩大了一倍，造成光伏专用电缆的增加。如果我们采用的不是集中式逆变器，而是集散式逆变器，MPPT在集散式汇流箱处，那么将上下排组串分别接入不同MPPT的接线端子上，光伏专用电缆不会增加，这是因为仅需要要求上排、下排的组串按规定分别接入同一台汇流箱不同MPPT的端子上，不需要扩大汇流箱的汇流范围。在这里，光伏阵列上排和下排光伏组件分别串联后再分别接入不同的MPPT，需要分开模拟，这是因为PVsyst软件里面没有提供某个组串接入指定的某个逆变器某个MPPT的功能。
2.4 基于PVsyst软件的组件横向四排布置的模拟仿真
将上述的光伏方阵布置图6在PVsyst中建模，为了方便建模，布置图做了一些优化与改进。现将仿真建模的过程在下图13~14中逐一展现，同时为了保证建模的真实有效性，将一些常规量进行固化，只改变需要比较的变量参数。
图13 横向四排光伏布置图在软件中模拟效果
图14-1 类型一：上、下两行组件串联混合接入500kW逆变器示意图
图14-2 类型二：上、下两行串联分别接入指定500kW逆变器示意图
3 基于PVsyst 软件模拟结果分析
根据上述在PVsyst中建模与仿真，模拟真实环境中的前后排造成的阴影遮挡，分析结果相关的数据如下表所示，共5种类型，为竖向双排布置类型一、二、三及横向类型一、二，主要是组串接线形式的不同及接入不同逆变器的分析结果。
表1 不同类型光伏方阵排列方式对发电量影响分析数据
对比分析，可以发现以下结论：
1、光伏组件竖向双排布置，组串二行串联与一行串联相比，模拟结果没有体现出差异性，但是模拟电性能输出分析(见下文表2分析)，以及上下分开接入逆变器，一行串联的发电输出要优于两行串联。
2、组件横向布置的系统发电量优于竖向布置，同时，四行上下分开接入逆变器，横向布置的发电性能更优秀。
3、根据分析数据可得知，表格从左至右发电量逐渐增加，横向布置且分区域接入不同的光伏逆变器或不同MPPT中，提升发电量最佳。
4、组串逆变器更有操作性：如采用8路输入50kW逆变器，更应将上下4+4组串分别接入不同的MPPT。如下图15为无论光伏组件是横向布置还是竖向布置，将光伏支架单元上的组件分为上下两个部分，分别接入组串式光伏逆变器不同MPPT，这是逆变器组串接入的最佳解决方案。同时，为了避免光伏电缆压降不一致，直流线缆接线时需要重点注意：应避免距离逆变器最远和最近的光伏串接入同一路MPPT。如果采用了集散式逆变器，则上、下行光伏组串分别接入集散式汇流箱的不同MPPT中，操作性与组串逆变器一样便利。
图15 横向布置且分区域接入组串式逆变器的方案
本文以上分析，均是在PVsyst中对光伏系统进行整体性的模拟结果分析，而PVsyst在建模分析过程中还提供了更多功能I-V曲线模拟分析。在这儿，我们仅提供部分数据进行参考，由于篇幅所限，更多内容，请期待下篇文章讲解。
当550kW的光伏组件竖向两排布置，以不同的光伏组件接线方式，混合接入一台500kW的逆变器后，模拟分析冬至日1月1日发电量差异，有必要指出的是，表2中的发电功率和发电量均是光伏方阵输出的直流电。
表2 1月1日550kW组件发电量差异
通过表2 可以看出，在统计的时间(真太阳时)里，上下两排串联时方阵输出345kWh的电量，上一排、下一排分别串联时方阵输出523.5kWh的电量，后者多输出178.5kWh。相对无遮挡时的光伏方阵输出，两者分别损失了-50.32%和-24.62%的电量。再看表1中，虽然两者模型进行系统性分析后，由于PVsyst软件内部模拟过程中的不确定性，整体结果没有体现出差异，但进行细节模拟，差异化还是很明显的。
4 结束语
本文是通过基于PVsyst软件的模拟与仿真，考虑实际光伏电站中光伏组件竖向排布、横向排布以及不同的接线方式等各种典型情况，建立相关模型，经过对结果的分析与比较，详细阐述了不同组件安装方向以及组串接线形式对发电系统效率和发电量的影响。通过上述多个类型的分析过程可以得出，在横向布置及考虑到上下分别串联接入不同逆变器或同一逆变器的不同MPPT，光伏电站的发电系统效率及发电量可以得到进一步提高，有利于提升整个光伏电站的收益率。
参考资料：
1.蒋华庆,等.光伏电站设计技术[M].中国电力出版社,2014.
2.坎德拉学院,PVsyst6.4.7 中文操作实用指南.
3.光伏组件竖排横排占地面积比较.
4.光伏组件竖向、横向布置不同，发电量差异大!
5.光伏组件的竖向和横向布置比较.
6.光伏组件横竖向布置发电究竟有何异同?
7.光伏组件横排竖排争议多,绝知此事要躬行.返回搜狐，查看更多
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