光伏系統(tǒng)直流失配損失與仿真方案

光伏電站由大量組件（往往成百上千塊光伏組件）通過(guò)串并聯(lián)而成，當(dāng)組件串聯(lián)時(shí)每塊組件工作電流必須一致，而組串并聯(lián)式每串組串的工作電壓也必須一致，而一組獨(dú)立的直流系統(tǒng)工作點(diǎn)（特定電壓電流）只能是唯一的，這就導(dǎo)致當(dāng)每一塊組件最大功率（MPPT）點(diǎn)電壓電流不一致（失配）時(shí)部分能量就會(huì)損失掉。例如下圖所示，當(dāng)兩串組串MPPT點(diǎn)電壓不一致時(shí)，并聯(lián)后由于組串必須工作在一個(gè)電壓點(diǎn)（新電壓點(diǎn)取決于兩串構(gòu)成的子系統(tǒng)最大功率點(diǎn)），導(dǎo)致每一串組串無(wú)法工作在各自最大功率輸出點(diǎn)，部分能量因此而損失掉。

圖 不同組串最大功率點(diǎn)差異示意

雖然失配損失原理很簡(jiǎn)單，但光伏電站具體失配損失評(píng)估一直是一個(gè)爭(zhēng)議很大的話題，究其原因是業(yè)界并沒(méi)有公認(rèn)有效的測(cè)試方法，同時(shí)影響失配的因素又非常多，例如，雖然很多分析中會(huì)采用組件出廠時(shí)電流和電壓分布進(jìn)行分析，但實(shí)際項(xiàng)目中組件自身的電壓電流分布已經(jīng)是失配來(lái)源的次要因素，很多時(shí)候環(huán)境因素（例如灰塵、溫度場(chǎng)、輻照?qǐng)龇植迹┮约敖M件衰減的不一致等因素導(dǎo)致的光伏組件電壓電流的失配比組件額定電性能參數(shù)的不一致性可能要大許多，即便是同一個(gè)電站在不同時(shí)間、不同運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際的失配損失都會(huì)存在很大的差異。

但這也不意味著電站的失配損失完全是抓瞎或者損失評(píng)估完全失去意義。個(gè)人比較傾向的方案是假設(shè)出組件不一致性的區(qū)間，從而得出一個(gè)損失范圍，在做后續(xù)分析時(shí)根據(jù)電站狀態(tài)采用‘半定量’范圍的方式。

評(píng)估的具體方案可以采用‘蒙特卡洛法’，即根據(jù)假設(shè)的電壓電流離散度（均方根）通過(guò)‘太陽(yáng)電池模型’中的二極管模型隨機(jī)生成所要評(píng)估數(shù)量的每一塊組件的IV曲線，隨后再以隨機(jī)方式將所有組件分成相應(yīng)的組串，根據(jù)電路串并聯(lián)的原則得到每一串組串的IV曲線以及并聯(lián)子系統(tǒng)的IV曲線，隨后通過(guò)下式根據(jù)組件、組串、并聯(lián)子系統(tǒng)最大功率評(píng)估出相關(guān)的失配損失。

當(dāng)然，由于計(jì)算過(guò)程為隨機(jī)產(chǎn)生及分配，每次運(yùn)算結(jié)果會(huì)略有差異，但如果組件數(shù)量足夠計(jì)算結(jié)果就會(huì)‘收斂’（實(shí)際經(jīng)驗(yàn)100串組串以上的系統(tǒng)每次運(yùn)行產(chǎn)生結(jié)果幾乎是一致的）。

利用上兩篇中組件和組串?dāng)?shù)學(xué)模型，根據(jù)不同的電壓、電流分布設(shè)置采用蒙特卡洛法可隨機(jī)生成組件IV曲線，通過(guò)隨機(jī)組合成組串后即可計(jì)算不同條件子陣失配損失，不同數(shù)量組串/MPPT組合下失配損失計(jì)算Matlab代碼如下：

以下以蒙特卡洛法計(jì)算1500V系統(tǒng)200串系統(tǒng)在8串/MPPT為例，不同電壓電流離散度條件下的失配損失仿真結(jié)果。

當(dāng)然，上述失配損失分析結(jié)果只是特定條件下的失配損失，在真實(shí)電站系統(tǒng)基本都會(huì)對(duì)直流容量相對(duì)于交流容量進(jìn)行超配（例如1MWac交流容量根據(jù)條件不同配1.2~1.5MWp直流容量）以降低度電成本，因此全年中很多情況下直流側(cè)輸出功率大于交流輸出能力導(dǎo)致逆變器限發(fā)，此時(shí)組串并不會(huì)工作在最大功率點(diǎn)，也談不上失配損失了。