建筑阴影遮挡对光伏系统发电量的影响分析

阴影遮挡是经常遇到的一个问题，对光伏的发电特性占主导地位，组件的IV输出特性在阴影的影响下会呈现多个马鞍形，由于逆变器的MPP跟踪电压范围有限以及算法的局限性会给方阵组串的实际MPP电压带来偏移，继而带来发电量的损失。PVSYST光伏系统设计软件具备较完善的阵列局部阴影分析功能，本文通过例子基于PVSYST6.12软件对建筑阴影带来的损失部分进行初步的分析和估算。 　　1.组件功率输出和遮挡面积的关系 　　通过使用PVSYST软件的PV MODULE小工具，以CSUN-250P多晶组件为例，可以得到STC下单片电池不同遮挡比例下的功率输出，从图1和图2可知当遮挡面积小于47%时旁路二极管未开启，Pm输出和Im大小随遮挡面积基本呈线性下降趋势，而在47%时两者发生了转折，因为此时被遮挡电池所在电池串的旁路二极管被正向导通，该串电池被短路，旁路后整个组件的Vm降低了三分之一，即在20V左右，而电流Im变为未遮挡电池的正常工作电流，通过模拟得出的Pm和遮挡面积的关系较符合实际室内太阳能模拟器的阴影遮挡测试结果。因此当发生局部阴影时势必会拉低整个组串的Vm，对逆变器的最大功率点跟踪带来影响。 　　2.建筑阴影遮挡对阵列发电量的影响分析 　　这里具体结合10kw（20*2）光伏阵列系统进行模拟计算，相关参数配置如表1，光伏阵列布置如图3 所示，每行方阵为10片组件，两行共20片组件为一串，共两串，以最佳行间距2.81米排布，逆变器为组串式逆变器，有两个MPPT，为突出阴影这个影响因素，在方阵左侧距离约1.76米处增加一睹高墙，长度4米，墙的最高点和组件边框的最低点距离约3米左右，当冬至日太阳高度角较低时，第一串的第二排和第二串的两排都将受到前排组件的阴影遮挡，具体遮挡的面积将随着太阳方位的变化而变化。 图3光伏阵列布置和建筑高墙位置示意图 　　光伏方阵的阴影遮挡情况和太阳方位有关，通过PVSYST软件可以观察一年365天的阴影变化情况，这里主要挑选有代表性的日期，如春分、夏至、秋分、冬至4个典型日。太阳辐照对发电量的影响较大，当光强较低时，阵列的发电量已经很低，表1仅列举了16:30阴影时刻的光强和阴影开始时的时间和对应的光强，随着冬季到春季时间的推移，太阳高度角发生变化，阴影开始时刻也逐渐变化，图4至图7我们可以看到四个典型日15:00时的阴影情况。 　　不同的阴影下会带来不同的IV曲线，如冬至日下午15:00分，见图7，其中组串中有部分电池片已经被遮挡，因组件含有旁路二极管，其I-V特性曲线会由原来的单峰变为双峰甚至多峰，从而引起IV曲线呈现非线性、多峰值的特性，由于此时光伏阵列受到的光照不均匀，遮挡比例有3种情况，因此出现了3个马鞍形，对应3个峰值Pm点，该例中组串逆变器的MPPT电压范围为320V-800V，此时MPP点显然仍在MPPT电压范围内，最大功率点的电压值约425V左右，Pm功率为3.47kW，参照图8。 　　而在15:15分，组串MPP点显然已经在MPPT电压范围外，扰动观察法、增量电导法、短路电流法和开路电压法等传统最大功率点跟踪策略因无法辨别局部最大功率点和全局最大功率点可能失去作用，因为传统算法在MPPT范围可能将光伏电池板的输出特性局部的波峰点误认为最大功率点，该点电压较高，电流较低，在有阴影影响的情况下必须进行全局扫描才能确定真正最大功率点，从模拟结果来看，逆变器通过在MPPT电压范围内全局扫描，实际选择的MPP点靠近最大功率点280V附近，即在最小值325V处，参照图9，需要注意的是PVSYST模拟的输出特性曲线是两个并联组串叠加后的曲线。 　　通过软件对含有建筑高墙下方阵的理论年发电量进行了模拟，并在模型中去掉高墙后保持其他条件不变的情况下再模拟对两者进行比较，结果表明有建筑时发电量约为10346kWh，没有建筑遮挡时年发电量约为10746kWh，建筑阴影损失发电量400kWh，损失比例达3.73%左右，其中冬季和春季占的比重要大些，参照图10。随着系统装机容量的增大，阴影损失造成的发电量也会相应增加。 　　3.小结与讨论 　　关于建筑阴影遮挡对阵列发电量的损失，目前还没有十分精确的计算模型和计算软件，阴影条件下带来光伏特效曲线的非线性变化和多峰值特点，给逆变器的最大功率点跟踪带来挑战，PVSYST软件能够在全局MPP电压范围进行扫描搜寻，目前国内组串逆变器已经具备该跟踪能力，且跟踪算法也在不断完善，文中通过模拟估算得出的发电量损失和实际情况应该存在一定的差异，具体还有待于进一步分析和验证，如果您有更好的想法或不同的见解，可一起沟通交流。