严寒地区光伏组件串联数量最大化的研讨

严寒地区光伏组件串联数量最大化的研讨

蒋微1 ,曲烔辉1

中国电建集团吉林省电力勘测设计院有限公司130022；

提要：在《光伏发电站设计规范》GB50797-2012要求的基础上，结合严寒地区的实际气候情况，对光伏组件工作温度、开路电压、辐照度之间的关系展开研究，给出更加符合应用需求的组件串联最大化方案。

关键字：严寒地区；最大串联数量；极限低温；辐照度；组件开路电压

一、背景技术

地面光伏发电站组件串联数量，计算的依据是GB50797-2012《光伏发电站设计规范》第6.4.2-1公式，如下

其中：N—光伏组件的串联数（取整）；

VOC—光伏组件的开路电压（V）；

KV—光伏组件的开路电压温度系数；

t —光伏组件工作条件下的极限低温（℃）；

Vdcmax、—逆变器允许的最大直流输入电压（V）。

计算公式中Vdcmax、和KV都是组件的自带参数，与建设单位所采购的设备有关，是设备的固定参数，很大程度上受到设备制造技术水平的局限。只有Voc和t值是在系统设计中取值的，这也是本文的关键所在。合理准确的取值对整个电站的安全稳定运行和投资收益都起着关键性的作用。

二、关键参数之间的关系

   在我国东北及内蒙等严寒地区，光伏电站的环境极限低温可达到-35℃到-40℃，在组串串联数量配置时，需要将这种特殊性着重分析，下面结合华能光伏电站实例具体分析。

1、光伏组件工作条件下极限低温与辐照度的关系

   华能镇赉光伏发电站位于吉林省镇赉县境内，地区的极限低温为-40℃，从这个站的太阳能评估报告中得到以下数据：一个年度春分、夏至、秋分、冬至前后各1个半月时间为一个时段，全年4个时段内、镇赉地区0～90度范围内、按照1度间隔计算得到的斜面总辐射量变化如图1~图4。

图1   春分时段各角度总辐射量

图2  夏至时段各角度总辐射量

图3  秋分时段各角度总辐射量

图4  冬至时段各角度总辐射量

从这四个时段的总辐射量曲线可以看出，全年的最低辐照度和最低运行温度均出现在冬至时段里。而0度辐射角又是冬至时段曲线中的最低点，也是全年运行曲线总辐射量最低的点，总辐射量为600MJ/m2，折算成辐照度约为166W/m2。

从本站实测的分时（以10分钟为间隔）温度监测表看，极限低温出现在日出前后。也就是说，光伏组件从0度辐射角开始进入工作状态时，组件工作条件下的极限低温为-40℃，此时太阳辐照度为166W/m2。

2、光伏组件开路电压与温度、辐照度的关系

在GB50797-2012《光伏发电站设计规范》所提供的计算公式中，有两个参数VOC和KV，分别表示光伏组件的开路电压和工作电压温度系数。这两个参数之间的关系是通过温度建立起来的。像所有其它半导体器件一样，光伏组件对温度非常敏感。温度的升高降低了半导体的禁带宽度，提高了材料中的电子能量。一般以25℃为标准，当组件的温度高于25℃时，每升高1度，开路电压就会按照相应的温度系数下降。所以在计算组串串联数量时，应该把开路电压作为一个变量定义，即在不同工况下的取值应该是不同的，而简单的取组件参数表上标准测试环境下的数值是不严谨的。

以容量为265Wp的组件为例，其STC（标准测试环境）：辐照度1000W/m2，电池温度25℃，光谱AM1.5的开路电压是38.2V，NOCT（电池片标称工作温度条件）：辐照度800W/m2，环境温度25℃，光谱AM1.5，风速1m/s的开路电压是36.8V。图5是它在25℃时各辐照度下的I-V曲线，曲线与电压横坐标的交点就是开路电压值。在图中可见，当温度一定时，辐照度越小开路电压越小，当辐照度为200W/m2时，开路电压已下降到36.8V左右。

图5  25℃时各辐照度下的I-V曲线

回到极限低温工况下的取值问题，我们已经知道在日出前后，辐照度约为166W/m2，那么该辐照度下的开路电压应该比200W/m2的更低，由于缺少该辐照度下的I-V曲线，暂按200W/m2曲线取值。则计算公式为

片，

取整后，最大串联数量为22片。每串比常规取值计算方式多2片。

三、经济性估算

以一个10万千瓦的地面式光伏电站为例，仅对直流汇流箱一项做粗略统计，按上述研究结果设计，可以比常规设计减少110个直流汇流箱，按市场价0.35万元/个计，约能节省设备投资38万元，其他安装、调试、维护等人工费用另计。在实际工程应用中，除直流汇流箱数量外，他还直接影响到直流电缆长度、组串式逆变器数量、组串支架的数量和桩基础数量，可以节省大量初始投资和后期运维成本。从损耗方面比较，按上述研究结果设计，能够降低设备和线缆在运行中的热损耗，从而提高整个系统的效率，使整体发电量得到一定提高。

四、总结

地面光伏发电站普遍具有光伏组件数量庞大、电气设备数量和电缆使用量多的特点，光伏组串作为发电最小单元，它的纤毫差池都会给整个系统带来千里之谬。只有不断追求更加精细化的设计，真正做到因地制宜，才能提高整个电站的投资收益和发电效益。

作者简介：

蒋微（1981年-），女，长春市，吉林省电力勘测设计院，高级工程师，学士学位，新能源方向。

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