太阳能光伏发电系统的电气效率研究

摘 要：本文以太阳能光伏发电系统的电气效率为研究对象，将电气效率分为直流效率、逆变器效率和系统总效率。为了研究使用微逆变器的光伏发电系统与使用组串式逆变器的发电系统的系统电气效率，搭建了一个4kWp的光伏发电系统，并使用室外太阳能测试设备采集数据。分别在正常工作状态和光伏阵列有部分遮挡时，对组串型光伏发电系统和交流组件型光伏发电系统的电气效率进行测量和比较分析。实验结果表明：在光伏发电系统中使用微逆变器可解决组件失配造成功率损失的问题，同时也增加最大功率跟踪的准确度，提高直流效率；在正常工作状态下，组串式光伏发电系统的组件失配损失只有3%左右，系统的总电气效率主要取决于逆变器的效率，但在光伏阵列有部分遮挡时，组件失配损失在10%以上，这时使用微逆变器可明显提高光伏发电系统的电气效率。

关键词：直流效率；微逆变器；光伏发电系统；交流组件型

引言

在现阶段，按太阳能光伏方阵与逆变器的连接方式不同，太阳能光伏并网发电系统可分为三种典型的拓扑结构：集中型、组串型和交流组件型；按组件类型不同可分为单晶硅太阳电池光伏发电系统、多晶硅太阳电池光伏发电系统和薄膜光伏发电系统等等。太阳电池阵列的输出性能并不是阵列中各个组件输出性能的简单叠加，阵列中各个组件相互影响组成一个整体，所以需要使用直流效率的概念来反映太阳电池阵列的整体性能；在各种不同类型和结构的光伏发电系统中，光伏阵列的输出性能有很大差异，为方便比较也需要使用直流效率这个概念。直流效率概念的提出有利于研究各个因素对光伏发电系统性能的影响，优化光伏发电系统提升光伏发电系统的性能。

国内外都有很多人在研究光伏发电系统的性能，他们都先采集光伏发电系统的运行数据，这些数据包括：太阳辐照度、环境温度、组件温度、光伏阵列输出电流和电压、系统输出电流和电压。数据的采集时间都在一年以上，然后再根据数据计算系统的性能参数。由于采集的时间长，所以数据的准确度难以保证，并且这些数据与电站的管理和维护有关，不只反映系统的性能，这些数据都是用逆变器自带的采集系统采集的，数据的精确度也难保证。

为了测量系统的电气效率，并比较微型逆变器发电系统和传统发电系统电气效率的差异，我们搭建了一个6kWp的光伏发电系统，其中有4kWp光伏发电系统使用4台SMA公司生产的SB1200逆变器，另外2kWp使用10台英伟力公司生产的MC250微型逆变器，并使用室外太阳能光伏电气效率测试仪来采集数据，通过实验现场测试了组串型光伏发电系统和交流组件型光伏发电系统的直流效率和系统效率。在光伏发电系统中使用微逆变器可解决组件失配造成功率损失的问题，同时也增加最大功率跟踪的准确度，提高直流效率。光伏阵列的直流效率是光伏阵列高效运行以及经济效益回收的重要指标，通过光伏阵列直流效率测试可以检测系统设计是否合理，电气设备选型是否匹配等系统的重要信息。

1影响发电量的因素

太阳能光伏并网发电系统主要由太阳电池组件、逆变器、配电设备组成。太阳电池组件能吸收太阳能输出直流电，逆变器使直流电转换成能供用电器使用的交流电。光伏发电系统的发电功率主要与以下因素有关：

1、 气象因素，包括太阳辐照度、环境温度和风速等。太阳辐照总量直接影响发电量，不同倾角和方位角放置的光伏组件接收的辐照量不一样，所以对于固定式光伏发电系统，光伏阵列的倾角和方位角也影响发电量。

2、 光伏阵列的光电转换效率；晶体硅光伏组件的转换效率为14%，但光伏阵列的转换效率小于组件的转换效率，这是因为光伏阵列由光伏组件串联和并联组成，由于各个组件实际输出的参数不匹配造成了能量损失，而且在不同太阳辐照度和环境温度下组件的转换效率也不同。

3、 逆变器的性能。逆变器的性能主要包括逆变器的启动电压和功率，逆变器的转换效率。逆变器的转换效率与逆变器的输入电压和功率有关。

4、 其他因素。设备故障、灰尘遮挡、电缆损耗等。

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在现阶段，按太阳能光伏方阵与逆变器的连接方式不同，太阳能光伏并网发电系统可分为三种典型的拓扑结构（如图1所示）：一种是集中型、组串型和交流组件型。不同的拓扑结构光伏发电系统，在安全性、系统效率、成本、维修等方面有很大差异。下面分别介绍这几种拓扑结构。

集中型结构具有系统成本低，逆变器转换效率高的优点。但是在这种结构中组件既有并联也有串联，系统因组件失配造成的较大的功率损失；在组串型光伏发电系统中，逆变器分别对各个组串进行最大功率跟踪，而且把各组串输出的直流电压转换成相同的直流电压后进行汇流，然后再将直流电转换成交流电。这种结构的优点是各组串分别对应一个最大功率跟踪器，相互独立工作，由于能对每一串太阳电池方阵进行最大功率跟踪，减少了组串失配造成的能量损失，提高了效率，但是组件之间仍然存在失配问题。为避免以上这些问题，逆变器生产企业于是将目光转向了新的逆变器，微逆变器就是其中的一种，使用微逆变器的光伏发电系统采用交流组件型结构，其中的每一个太阳电池组件配一个逆变器，相互独立工作，由于输出交流电压相同，各微逆变器的的输出端并联后并网。



图1 三种典型的拓扑结构
Fig.1 Three typical system congigurations
2电气效率计算公式

光伏发电系统的效率包括光伏阵列的直流效率、逆变器效率和系统效率

光伏阵列的直流效率是太阳电池阵列的输出功率实际测量值与理论计算值之比。在计算组件输出功率时需要考虑风速、太阳辐照度和温度等外部环境因素对太阳电池阵列的影响，为了方便比较要进行太阳辐照度和温度修正。直流效率可以用下式来计算：

DC = (Istc / Irr) × (1- )× (PDC / Pnom) (1)

式中：λ为太阳电池组件的功率温度系数

Istc为标准太阳辐照度

Irr为太阳辐照度测量值

PDC为光伏阵列输出功率

Pnom为组件峰值功率之和

为组件温度修正系数

其中温度修正系数 可使用如下两个关系式来计算：

=(Tpv–25)×λ (2)

系统效率是系统输出功率与光伏组件在一定条件下产生的功率之比。系统效率可由下式计算：

ηs=Pop/Psp

式中：

Pop——系统输出功率（kW）；

Psp——光伏阵列的输出功率理论值(kW)。

Psp是光伏阵列的输出功率理论值，不能直接测量，只能先在室内测量单个组件的峰值功率，然后再根据现场测量得到的太阳辐照度和组件温度计算出光伏阵列输出功率的理论值。

逆变器效率ηac=Pac/PDC

即逆变器的输出功率与输入功率之比。

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逆变器的效率与输入电压和功率有关，一般情况下在输入功率大的时候逆变器的效率较高，在输入电压达到某个特定值时，效率达到最高。

影响光伏阵列直流效率大小的因素有最大功率跟踪准确度、太阳电池组件匹配度和直流电能传输损耗等。最大功率跟踪准确度与太阳电池组件之间的连接方式有关，也与光伏阵列与逆变器的是否匹配有关，太阳电池组件的匹配度与组件的连接方式和组件输出性能的一致性有关。所以通过检测太阳电池阵列的直流效率可检测系统设计是否合理，电气设备选型是否匹配。

3 电气效率的测试

为计算直流效率需要同时测量太阳电池组件的输出功率PDC、太阳辐照度Irr和太阳电池温度TPV。直流效率考虑了直流电能传输的损耗，所以应该在逆变器的输入接口测量太阳电池组件的输出功率。

测量前必须将太阳电池组件表面清洗干净，测量周期内辐照度最大值和最小值之差不能超过20W/m2才能保证直流效率计算的准确度。当光伏阵列内各个组件的倾角不同时，应同时测量最大和最小倾角的辐照度，计算直流效率时使用太阳辐照度最大值。测量太阳电池温度时要把温度探头放在被测太阳电池组件底部的中心位置。

为比较组串型太阳能光伏发电系统和交流组件型太阳能光伏发电系统的直流效率，特进行组串型太阳能光伏发电系统直流效率测试实验和交流组件型太阳能光伏发电系统直流效率测试实验。


3.1组串型太阳能光伏发电系统的电气效率测试

此组串型光伏发电系统共使用5块型号为KD202GH-2PU-KH的多晶硅太阳电池组件和一台SMA逆变器SB1200，太阳电池组件采用5串1并的方式连接。

组件的峰值功率标称值是生产厂家根据室内测试的结果标定的，组件峰值功率实际值与标称值有偏差，为准确计算直流效率，首先要测量系统中每


一块太阳电池组件的输出特性。本文使用室外太阳能太阳电池组件输出特性测试仪I-V400来测量，测量结果如下：




表1 太阳电池组件输出特性测量值
Table 1 The date of Solar cell module output measurement
从上表可知，光伏发电系统中五块组件的峰值功率总和为1018.04W，即Pnom=1018.04W。
然后再测量光伏阵列在正常工作时的输出电流和输出电压以及太阳辐照度、太阳电池温度和环境温度。把这些参数值代入直流效率计算公式中即可计算光伏发电系统的直流效率。以下是测量结果：


表2 光伏发电系统的电气效率
Table 2 PV system’s DC efficiency

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上表使用关系式(2)来计算太阳电池阵列的直流效率，由以上数据可知，在不同的太阳辐照度和环境温度下，光伏阵列的直流效率基本不变，这说明了以下几点：

（1） 在辐照度大于200W/m2时逆变器的效率基本保持不变。在辐照度小于200W/m2时，效率随辐照度减小而急剧下降。

（2） 组串式太阳能光伏发电系统的直流效率约96%，也就是有约4%的能量损失，这个数值与逆变器的最大功率跟踪准确度、太阳电池组件的匹配度和直流传输损耗等相关。

（3） 组串式光伏发电系统的系统效率在81%左右。

（4） 逆变器的实际转换效率小于88%，低于逆变器的欧洲效率90.7%，这是因为逆变器的转换效率与逆变器的工作温度、光伏阵列的输出电压和功率有关。

3.2微逆变器光伏发电系统直流效率测试


图2 微逆变器光伏发电系统接线示意图
Fig 2 The micro-inverter system
微逆变器光伏发电系统的接线方式为每块太阳电池组件接一个逆变器，各个微逆变器将组件输出的直流电转换成交流电，然后再将所有的逆变器输出端并联。这种连接方式解决了组件失配造成功率损失的问题，同时也增加了最大功率跟踪的准确度。

此交流组件型光伏发电系统使用1块型号为KD202GH-2PU-KH的多晶硅太阳电池组件，经室外太阳电池组件特性测试仪测试得出以下数据：

然后再测量太阳电池组件在正常工作时的输出电流和输出电压以及太阳辐照度、太阳电池温度和环境温度。把这些参数值代入直流效率计算公式中即可计算光伏阵列的直流效率。以下是测量结果：

由于微逆变器一般放在组件底下，直流端导线较短，传输损失较小，而且一块组件带一个最大功率跟踪器，各个组件之间相互独立，光伏阵列的直流效率主要与逆变器的最大功率跟踪准确度有关，与组件匹配度无关，所以直流效率较高。

3.3 阴影遮挡对系统效率的影响

为避免对光伏组件发生热斑效应，原则上要求在早上9点到下午15点光伏方阵不能有阴影遮挡，其实除了这段时间之外光伏发电系统的发电量也是不能忽视的，而且有时为满足客户要求或者达到一定的安装容量，不得不在有阴影遮挡的地方安装光伏发电系统，所以研究如何在有阴影遮挡的情况下提高光伏发电系统的发电功率仍然有实际应用价值。

国外在阴影对光伏发电系统的影响方面已经做了很多相关研究，造成组件失配的原因主要有云层遮挡、表面污垢、地面物体遮挡和组件参数差异等。其中最引人关注的问题是在有地面物体遮挡时应用组件型拓扑结构是否比其他结构更合适。Graaf、Weiden和Haan等人的研究表明，阴影遮挡对组件型和组串型拓扑结构的影响较小。Beuth在1998年在一个实验中用组串型、集中型和组件型拓扑结构光伏系统做阴影条件下的性能比较实验，得出的结论是组件型拓扑结构并不具有优势，从安装成本和可靠性方面考虑，阴影条件下使用组串型和集中型逆变器更合适。但Gross等人在1997年的实验表明，使用组件型逆变器比使用集中型逆变器可减少阴影造成损失的19.5%～25%。

为了研究阴影对光伏发电系统发电功率的影响以及组串式逆变器是否比微逆变器更有利于减少阴影造成的功率，我们进行了如下实验：

实验中使用七块型号为KD202GH-2PU-KH的组件串联接入一个型号为Sunny Boy SB 1200逆变器中组成一个组串光伏发电系统，组件型光伏发电系统使用一块型号为KD202GH-2PU-KH的组件连接一个英伟力微逆变器，两个系统在大于700W/m2的稳定自然光伏照射下正常工作。

组件的电路图和阴影遮挡方式如下图所示：


图中绿色、蓝色、红色、紫色、黄色、灰色分别表示单片、两片横、三片横、两片竖、三片竖、三角形遮挡。遮挡时，使用普通纸片进行遮挡，遮挡比例为70%，在实验中为保证遮挡比例相同，我们同时测量了无阴影和有阴影时的太阳辐照度，然后通过改变遮挡纸片与组件之间的垂直距离来改变阴影的遮挡比例，从而获得比较一致的遮挡比例。

首先用光伏组串I－V特性现场测试仪分别测量两个光伏发电系统的光伏阵列在各种面积的阴影下的I—V曲线，我们得到的结果如下图所示：


光伏组串在阴影下的I－V曲线
上图中蓝色线和红色线分别是遮挡一块和横向三块电池片时光伏组串的I－V曲线，洋红色和绿色分别是遮挡一块和横向三块电池片时光伏组串的功率曲线，从实验数据来看，两种不同面积的阴影遮挡下，最大功率点电流与无阴影遮挡时基本相同，功率点电压下降了7.3伏左右，刚好是平均一块组件的最大功率点电压的1/3。这是由于每个组件都有三个旁路二极管，组件中部分电池片被遮挡时，旁路二极导通，导致组件的最大功率点电压急骤下降。


光伏组件在阴影下的I－V曲线

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绿色线和黄色线分别是遮挡一块和横向三块电池片时光伏组件的I－V曲线，蓝色线和红色线分别是遮挡一块和横向三块电池片时光伏组串的功率曲线，从实验数据来看，两种不同面积的阴影遮挡下，组件输出的I-V曲线


用室外太阳能光伏系统效率测试仪测试得到如下数据：


从数据可知，使用微逆变器的光伏发电系统在有阴影遮挡时，工作电压升为27伏，工作电流降为0.14安培，使用组串式逆变器的光伏发电系统在电压随被遮挡串列数而有变化，但电流随辐照度变化，将电流实际值转化为标准值后发现电流值基本与无遮挡时相同。

微逆变器光伏发电系统在受单片、两片横和三片横遮挡时直流效率损失了70%左右，组串式光伏发电系统在受单片、两片横、三片横、二片竖、三片竖和三角形遮挡时直流效率分别损失了。

对于微逆变器光伏发电系统，当与防反二极管并联的被遮挡电池片串数为1时，单块组件的最大功率点电压下降到20伏以下，在电压27V左右有一个次峰值功率点，微逆变器由于最大功率跟踪范围在20伏到30伏之间，所以微逆变器只能跟踪到次峰值功率点；而当与防反二极管并联的被遮挡电池片串数为2时，在电压27V左右有最大功率点，由于此电压值在微逆变器的最大功率跟踪范围内，微逆变器能准确跟踪到最大功率点。当与防反二极管并联的被遮挡电池片串数为3时，最大功率点在16V左右。

对于组串式光伏发电系统，当受阴影遮挡时，与被遮挡电池片并联的防反二极管导通，电压下降，电压下降值基本上与导通的二极管数量成正比，电流不变。假设光伏组串的组件数量为m，每个组件有三个防反二极管，那么电池片串数为3m，由于电池片被遮挡造成导通的二极管数量为n，那么直流效率的损失率为n/3m。由于电压的下降，逆变器的转换效率也随之下降。

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1、组串式光伏发电系统的直流效率损失率为n/3m。

4 结语

光伏发电系统的直流效率是反映太阳电池阵列整体性能的物理量，它仅与光伏阵列的内部因素如最大功率跟踪准确度、组件匹配度、电能传输损耗等有关。为排除外部因素如太阳辐照度和温度对光伏发电系统的影响，需要对光伏阵列输出功率进行修正，所以直流效率的计算公式为DC = (Istc / Irr) × (1－φ)× (PDC / Pnom)。其中温度修正系数φ可分别用两个公式来计算，在室外条件下使用公式φ=(Tpv–25)×λ来计算温度修正系数比较合适。

在使用微逆变器的光伏发电系统中，一块组件连接一个微逆变器，减少了组件失配造成的功率损失，所以直流效率较高。通过实验也证明使用微逆变器的光伏发电系统有较高的直流效率。

光伏阵列的直流效率是光伏阵列高效运行以及经济效益回收的重要指标，通过光伏阵列直流效率测试可以检测系统设计是否合理，电气设备选型是否匹配等系统的重要信息。

文章作者：罗宇飞，孙韵琳，沈辉