建筑陰影遮擋對光伏系統(tǒng)發(fā)電量的影響分析

陰影遮擋是經(jīng)常遇到的一個問題，對光伏的發(fā)電特性占主導(dǎo)地位，組件的IV輸出特性在陰影的影響下會呈現(xiàn)多個馬鞍形，由于逆變器的MPP跟蹤電壓范圍有限以及算法的局限性會給方陣組串的實際MPP電壓帶來偏移，繼而帶來發(fā)電量的損失。PVSYST光伏系統(tǒng)設(shè)計軟件具備較完善的陣列局部陰影分析功能，本文通過例子基于PVSYST6.12軟件對建筑陰影帶來的損失部分進行初步的分析和估算。 　　1.組件功率輸出和遮擋面積的關(guān)系 　　通過使用PVSYST軟件的PV MODULE小工具，以CSUN-250P多晶組件為例，可以得到STC下單片電池不同遮擋比例下的功率輸出，從圖1和圖2可知當遮擋面積小于47%時旁路二極管未開啟，Pm輸出和Im大小隨遮擋面積基本呈線性下降趨勢，而在47%時兩者發(fā)生了轉(zhuǎn)折，因為此時被遮擋電池所在電池串的旁路二極管被正向?qū)?，該串電池被短路，旁路后整個組件的Vm降低了三分之一，即在20V左右，而電流Im變?yōu)槲凑趽蹼姵氐恼９ぷ麟娏?，通過模擬得出的Pm和遮擋面積的關(guān)系較符合實際室內(nèi)太陽能模擬器的陰影遮擋測試結(jié)果。因此當發(fā)生局部陰影時勢必會拉低整個組串的Vm，對逆變器的最大功率點跟蹤帶來影響。 　　2.建筑陰影遮擋對陣列發(fā)電量的影響分析 　　這里具體結(jié)合10kw（20*2）光伏陣列系統(tǒng)進行模擬計算，相關(guān)參數(shù)配置如表1，光伏陣列布置如圖3 所示，每行方陣為10片組件，兩行共20片組件為一串，共兩串，以最佳行間距2.81米排布，逆變器為組串式逆變器，有兩個MPPT，為突出陰影這個影響因素，在方陣左側(cè)距離約1.76米處增加一睹高墻，長度4米，墻的最高點和組件邊框的最低點距離約3米左右，當冬至日太陽高度角較低時，第一串的第二排和第二串的兩排都將受到前排組件的陰影遮擋，具體遮擋的面積將隨著太陽方位的變化而變化。 圖3光伏陣列布置和建筑高墻位置示意圖 　　光伏方陣的陰影遮擋情況和太陽方位有關(guān)，通過PVSYST軟件可以觀察一年365天的陰影變化情況，這里主要挑選有代表性的日期，如春分、夏至、秋分、冬至4個典型日。太陽輻照對發(fā)電量的影響較大，當光強較低時，陣列的發(fā)電量已經(jīng)很低，表1僅列舉了16:30陰影時刻的光強和陰影開始時的時間和對應(yīng)的光強，隨著冬季到春季時間的推移，太陽高度角發(fā)生變化，陰影開始時刻也逐漸變化，圖4至圖7我們可以看到四個典型日15:00時的陰影情況。 　　不同的陰影下會帶來不同的IV曲線，如冬至日下午15:00分，見圖7，其中組串中有部分電池片已經(jīng)被遮擋，因組件含有旁路二極管，其I-V特性曲線會由原來的單峰變?yōu)殡p峰甚至多峰，從而引起IV曲線呈現(xiàn)非線性、多峰值的特性，由于此時光伏陣列受到的光照不均勻，遮擋比例有3種情況，因此出現(xiàn)了3個馬鞍形，對應(yīng)3個峰值Pm點，該例中組串逆變器的MPPT電壓范圍為320V-800V，此時MPP點顯然仍在MPPT電壓范圍內(nèi)，最大功率點的電壓值約425V左右，Pm功率為3.47kW，參照圖8。 　　而在15:15分，組串MPP點顯然已經(jīng)在MPPT電壓范圍外，擾動觀察法、增量電導(dǎo)法、短路電流法和開路電壓法等傳統(tǒng)最大功率點跟蹤策略因無法辨別局部最大功率點和全局最大功率點可能失去作用，因為傳統(tǒng)算法在MPPT范圍可能將光伏電池板的輸出特性局部的波峰點誤認為最大功率點，該點電壓較高，電流較低，在有陰影影響的情況下必須進行全局掃描才能確定真正最大功率點，從模擬結(jié)果來看，逆變器通過在MPPT電壓范圍內(nèi)全局掃描，實際選擇的MPP點靠近最大功率點280V附近，即在最小值325V處，參照圖9，需要注意的是PVSYST模擬的輸出特性曲線是兩個并聯(lián)組串疊加后的曲線。 　　通過軟件對含有建筑高墻下方陣的理論年發(fā)電量進行了模擬，并在模型中去掉高墻后保持其他條件不變的情況下再模擬對兩者進行比較，結(jié)果表明有建筑時發(fā)電量約為10346kWh，沒有建筑遮擋時年發(fā)電量約為10746kWh，建筑陰影損失發(fā)電量400kWh，損失比例達3.73%左右，其中冬季和春季占的比重要大些，參照圖10。隨著系統(tǒng)裝機容量的增大，陰影損失造成的發(fā)電量也會相應(yīng)增加。 　　3.小結(jié)與討論 　　關(guān)于建筑陰影遮擋對陣列發(fā)電量的損失，目前還沒有十分精確的計算模型和計算軟件，陰影條件下帶來光伏特效曲線的非線性變化和多峰值特點，給逆變器的最大功率點跟蹤帶來挑戰(zhàn)，PVSYST軟件能夠在全局MPP電壓范圍進行掃描搜尋，目前國內(nèi)組串逆變器已經(jīng)具備該跟蹤能力，且跟蹤算法也在不斷完善，文中通過模擬估算得出的發(fā)電量損失和實際情況應(yīng)該存在一定的差異，具體還有待于進一步分析和驗證，如果您有更好的想法或不同的見解，可一起溝通交流。