关键词： 光伏阵列，系统损失，集中式，组串式，微逆
0 前言
目前国内光伏特性研究主要集中在两个大方向：模型的研究与失配特性的研究。仿真是认识光伏阵列特性的主要途径。理想的阵列特性比较容易得到，而实际情况中的阵列大都含有失配现象。保持绝对的一致性的阵列是不存在的，阵列失配则是绝对的，只是程度轻重的差别，因此失配阵列是光伏阵列仿真的主要对象。能引起阵列失配的原因有多个，阴影、短路、断路、出厂参数不一致、安装过程中的损坏、衰减等都可以导致失配。诸多失配原因的一致结果是引起阵列表面的光照不均匀，因此阴影常被作为失配的典型研究对象[1, 2]。
通过阴影仿真研究证明，失配会影响光伏阵列的输出特性。主要表现于系统最大输出功率率减少，且会出现多波峰现象[3-6]。基于传统的最大功率跟踪算法可能会使把系统的局部最大功率点误当作全局最大功率点，因此带来更大的功率损失[7]。针对此问题，学者们分别从光伏拓扑优化和最大功率跟踪算法改进这两个方面提出了对应策略。前者在保持最大功率跟踪算法不改动的情况下，通过改变阵列结构或优化阵列配置，使得系统尽量避开失配带来的影响[4, 7-9]后者则主要保持阵列结构不动，而通过改进最大功率跟踪算法的灵活性来使系统主动识别失配特性，寻找到全局最大功率点，从而减少系统功率损失[6, 10-13]。
阵列的串并联电气连接方式也会在一定程度上增加系统的功率损失。理想的光伏阵列，其各组件的一致性非常好，组件间的电气连接不会影响系统的功率。实际情况中，由于各组件的不一致，会通过电气串联、并联连接给系统带来功率损失。文献[14]指出了集中式、串式和多串式三种电气连接技术由于系统的MPPT（Maximum Power Point Tracker）只针对整个串并光伏阵列或组件串而会损失一部分功率，同时提出一种基于单个组件的MPPT模式，以保证阵列中每个组件均运行在最大功率点。文献[8]更进一步，以每个共用旁路二极管的电池元组为基本单元进行MPPT跟踪，以求得更大的系统功率。由此可见，减少组件间的电气连接能提高光伏电站的系统功率，但上述文章均只以结论的形式阐述了不同电气连接方案的特点，相关的原理性解释并不多。本文主要以集中式、组串式（也称分布式）、微逆三种电气连接系统为研究对象，深入研究它们的特点及不同情况下的输出特性及其原因。
（a） 集中型系统
(b) 组串式系统方案
(c) 微逆系统
如图 1所示，三种方案的区别在于系统内组件间的连接方式不一样，本质上是对失配组件的不同处理，主要通过系统中MPPT的个数来表现。在集中式系统方案中，所有组串共用一个或少数几个MPPT，其投入成本少。组串式系统中每一个或每几个组串接一个MPPT，因此同一光伏阵列中其包含的MPPT个数要比集中式方案多。MPPT个数的增加意味着投入成本的增加，因此组串式系统成本较高。微逆系统中每一个组件都配有一个MPPT，因此相同的阵列中其拥有的MPPT个数最多，成本也最大。由于串、并联连接会损失掉系统的一部分功率，因此系统中的MPPT个数一定程度上代表着系统最大功率的获得能力。
实际情况中，光伏逆变器为MPPT的载体。因此不同的光伏阵列连接方案应对应用不同大小的逆变器。各逆变器厂家之间的竞争使得深入研究不同光伏电站连接方案的优缺点这一课题很有必要。现有的一些系统方案比较结论都是根据实际电站运行结果对比得到的，但实际情况中有许多影响系统功率的因素无法保持一致，如比较对象、环境因素。因此，这些实际结论不可避免地具有不可确定性和人为主观性。客观、严谨地对各系统方案进行比较，并分析各方案的优缺点，必须保证系统中除组件连接方式可变化外，其它一切因素均恒定不变。因此，仿真成为解决这一问题的最好途径。
本文首先建立了基于工程计算方法的光伏电站仿真模型，紧接着通过理论分析将失配光伏电站的系统功率损失分为组件功率损失、串联功率损失、并联功率损失三部分，概述了光伏电站系统的功率损失原因。基于这两部分内容，文章分别对各种失配情况下的三种连接方案系统进行了仿真并分别进行了深入的分析其特点。仿真中保证了除连接方案不同外的其它因素的恒定，客观地比较了三种连接方案在失配光伏电站系统中的发电量损失。结果证明同一失配电站系统中，微逆系统的功率损失最小，而集中式系统的损失最大，但它们的相差程度在不同类型的电站系统中不一样。本文的研究为光伏领域相关的应用奠定了理论基础，同时对工程方面的应用具有很好的指导意义。
1 仿真建模
1.1 仿真模型建立
光伏阵列仿真一般以单个光伏组件为基本单元进行建模，且不考虑组件内部的局部故障影响。本文以常用的工程计算方法为数学模型，利用Simulink仿真工具建立电站级仿真模型。其中工程计算方法表述如下[15]：
标况下：即Sref=1000W/m2、Tref=25℃时
一般工况下：即任意光照强度和温度时
其中，
仿真模型如下图 2所示，阵列中组件的主要参数及各环境中的光照S、温度T为仿真模型的输入信息，输出为系统的各电气变量：功率P、电压U、电流I。
1.2 仿真模型验证
以JA Solar 公司的143-7615光伏组件为例，对仿真模型进行验证如下。
(a) I-V曲线
(b) P-V曲线
Fig.3 Solar Panel Characteristic Comparison between Test and Simulation
Tab.1 Solar Panel Parameters Comparison between Test and Simulation
|
参数 |
测试值 |
仿真值 |
误差/ % |
|
Uoc/ V |
38.343 |
38.280 |
0.164 |
|
Isc/ A |
8.950 |
8.950 |
0 |
|
Um/ V |
31.067 |
31.570 |
1.619 |
|
Im/ A |
8.424 |
8.283 |
1.674 |
|
Pm/ W |
261.702 |
262.405 |
0.269 |
上图 3所示为该组件的仿真曲线与实验曲线对比，可以看出组件的仿真曲线与测量曲线的重合度非常高。表 1中比较了测试曲线与仿真曲线的5个主要参数并计算了它们的误差。数据表明，各仿真参数的误差最大不超过2%，仿真误差非常小，说明了该仿真模型准确性较高。后续的系统仿真主要基于此模型进行，各仿真结果具备较高的可靠性。
2 系统功率损失分析
如前所述，当一个组件所处环境的光照或温度发生变化时，其功率输出会发生变化；当该组件所处环境恒定但其特性发生衰减时，其功率输出也会有所变化。这样一个组件与其它组件串联时，会使整个组串的功率有所损失；当该组串与其它组串并联时，还会给整个系统功率带来损失。当光伏阵列中存在多个这样的组件时，称该阵列光伏组件失配现象严重。遮挡、角度不一致、地势不平整等都可以导致光伏阵列失配。仔细研究这些失配现象发现，它们本质上都导致阵列中的组件承受不均匀辐照或温度。因此电站中的绝大部分失配现象均可通过改变组件的辐照度和温度来进行仿真。
根据光伏组件功率损失的原因及其在光伏阵列的串并联结构，本文定义含失配现象的光伏系统总功率损失由三部分组成：组件功率损失、串联功率损失和并联功率损失，即 
。其中，
指组件本身的功率损失；
指不同特性组件串联带来的功率损失；
指不同特性组串并联带来的功率损失。
组件功率损失为客观损失，主要原因是组件本身的输出功率减少，外部原因或组件本身原因都可导致，如遮挡使组件承受的S、T改变，或组件本身衰减、老化等。当阴影使阵列中部分组件从S0、T0状态变化成S1、T1状态，由此受遮挡组件减少的功率部分即为组件功率损失。
光伏阵列中，凡是串联就会由于各组件的电流差异造成电流损失，从而导致串联功率损失；凡是并联就会由于各组串的电压差异造成电压损失，从而导致并联功率损失。这两部分损失都是由于电气连接造成的，属于光伏阵列本身内部的原因。
2.1 串联功率损失
不考虑MPPT的追踪误差问题，光伏系统皆以P-V曲线的全局最大值为阵列工作点。通过研究发现，含两种特性的组串，其串联I-V特性曲线上会出现“阶梯”，P-V特性曲线上会出现“双波峰”。其中在P-V特性曲线的左侧波峰时，被遮模块被旁路二极管旁路，不再工作，其余未遮模块以最大功率状态输出；在右侧波峰时，被遮模块继续工作，同时将其余未遮模块的工作电流拉低，工作电压抬高。因此，无论最终工作在左侧波峰还是右侧波峰，系统均会损失的一部分功率，此即为串联功率损失。
图 4 组件串联特性曲线
当工作在左波峰时，串联功率损失为被遮组件在被遮光照下的功率，此部分损失与旁路二极管有关；当工作在右波峰时，被遮组件与正常组件的工作电流有差异，因此产生串联功率损失，此部分损失主要由串联连接导致。当组串中无遮挡或全遮挡时，串联组件之间无电流差异，串联功率损失为0；否则组串中定有一部分串联功率损失。
2.2 并联功率损失
组串并联的本质是各组串在相同电压处的输出特性叠加。以一个2组串并联阵列为例进行说明如下。
(a)
(b) 局部放大
图 5（a）（b） 不同特性组串并联P-V特性
在上图中，a、b、m分别表示组串1、组串2以及阵列的最大功率位置。m1、m2分别为组串1、2分别向阵列最大功率点贡献的功率位置。它们对应的功率分别为：
。
由图中可看出，a、b分别为组串1、2的唯一最大功率点，因此有
，。又由于阵列的最大功率是由两个组串共同作用决定的，故有
。因此，
，此即说明了各独立组串最大功率之和必然要大于等于它们并联后的最大功率。定义各组串最大功率总和与并联后阵列最大功率之差即为并联功率损失。令
，表示并联后的功率损失，ΔP≥0说明并联后系统肯定有功率损失。
仔细分析不同特性组串并联情况可知：并联功能损失ΔP由各并联组串的差异性程度及数量决定；各组串的特性差别越大时，并联功率损失越大；当阵列中各组串完全一致时，并联功率损失为0。
2.3 三种连接方案的功率损失
综上所述，组件功率损失
是由客观环境导致的，可认为无法进行弥补；而串联功率损失
、并联功率损失
这两部分损失是由组件之间的串并联电气连接造成，因此如果能想办法把串、并联进行解耦，尽可能减少串联电流损失或并联电压损失则能把
两部分损失减到最少。所谓解耦即取消串、并联的电气连接，使组件或组串之间相互独立。
所谓的组串式系统就是全部或一定程度上实现了组串间的电气并联解耦，从而避免全部或部分的并联功率损失。微逆系统则是同时对电气并联与串联进行解耦，从而避免了所有的串联、并联功率损失。集中式系统没有对组件串并联连接采取任何解耦措施，因此功率损失最大。
3 三种连接方案发电量仿真比较
基于前面建立的仿真模型，本节对集中式方案、组串式方案和微逆方案进行系统级仿真。验证光伏系统功率损失分析理论的正确性，并对三种连接方案进行研究，分析各自的特点。
3.1 小型电站系统中的对比仿真
电气解耦的主要实现手段是增加系统中MPPT的个数。设M×N系统，其中，M代表阵列中并联的组串个数，N代表每组串中串联的组件个数。集中式系统有且仅有1个MPPT，微逆系统有个M·N 个，而组串式则有多个不同情况：根据每个MPPT管辖不同的组串数MPPT个数从2个到（M·N-1）个均有可能。组串式系统中MPPT个数对系统的发电量影响很大。
光伏电站根据阵列大小可大致分别大型光伏电站和小型光伏电站。屋顶电站为常见的小型电站，本节讨论其相关特性。小型电站系统中出现的失配组件面积一般也较小，下面以2×21和10×21两个光伏阵列为例，其中每个阵列均有且仅有一个组件被遮挡。对三种不同的连接系统进行仿真，对比发电量，同时讨论MPPT个数给系统带来的影响。设定2×21阵列中，MPPT的个数为2个；10×21系统中，MPPT有2、5、10个。仿真所得各数据如表 2所示，系统各部分功率损失分析如表 3所示。
|
阵列尺寸 |
MPPT个数 |
微逆系统功率损失[%] |
组串式功率损失[%] |
集中式功率损失 [%] |
|
2×21 |
2 |
1.360 |
2.383 |
2.797 |
|
10×21 |
10 |
0.272 |
0.476 |
0.662 |
|
5 |
0.272 |
0.559 |
0.662 |
|
|
2 |
0.272 |
0.632 |
0.662 |
注：正常光照/遮挡光照：700/300。
|
损失分类 |
2×21阵列损失百分比(%) |
10×21阵列损失百分比(%) |
|
组件功率损失 |
1.36 |
0.272 |
|
串联功率损失 |
1.023 |
0.204 |
|
并联功率损失 |
0.414 |
0.186 |
比较上表中各数据，可得出以下结论：
(a) 对于任意失配阵列，如果其它因素都保持一致，仅就不同连接方案进行比较，则必然有集中式系统功率损失>组串式系统功率损失>微逆系统功率损失。
(b) 光伏阵列一定，微逆的MPPT个数也就被确定，某一失配条件下能提高的功率也一定。而组串式系统中不同的MPPT个数提高的系统发电量则不同。一般而言，MPPT越多，组串式功率提高优势越明显。
(c) 同一失配情况下，阵列尺寸越大，微逆和组串式系统的功率提高优势反而越不明显。这是因为组件功率损失不变，而串联功率损失、并联功率损失只随阵列的增大而有微弱变化。因此，三部分损失百分比反而随系统增大而减少，故微逆与组串式的优势也就越小。表 3充分体现了这一结论，同时也验证了系统功率损失分析的正确性。
3.2 大型电站系统中的仿真
大型电站如荒漠电站、山地电站等也非常常见。假设一个101×21的500K大型光伏电站系统，有2121块组件，每块组件的额定功率为235W。如
图 6所示，其中16个组串含有遮挡组件，遮挡个数分别为1，2，3……16，共有132块组件受遮挡，受影响功率为132*235=31 020W。遮挡故障不变，仿真对比集中式系统、不同组串式系统和微逆系统的发电量差别。仿真结果如下：
表 4 大型电站系统中的三种连接方案对比
|
系统方案 |
MPPT个数 |
功率损失[%] |
|
集中式 |
1个（101组串） |
7.806 |
|
组串式 |
17个（6组串） |
6.587 |
|
21个（5组串） |
6.358 |
|
|
34个（3组串） |
6.156 |
|
|
26个（4组串） |
6.017 |
|
|
51个（2组串） |
5.999 |
|
|
101个（单组串） |
5.923 |
|
|
微逆 |
2121个（单组件） |
3.66 |
注：正常光照/遮挡光照：700/300。
图 6 500KW电站阴影示意图
根据上表中的各数据可计算出此失配情况下的系统各部分损失为：
表 5 大型电站系统中的系统功率损失分析
|
损失分类 |
损失百分比(%) |
|
组件功率损失 |
3.66 |
|
串联功率损失 |
2.263 |
|
并联功率损失 |
1.883 |
仔细分析上述仿真结果，可得以下几个结论：对于存在失配现象的大型光伏阵列，
（a）对于任意失配阵列，三种连接方案的系统功率损失大小比较仍与小型电站系统一致：集中式系统功率损失>组串式系统功率损失>微逆系统功率损失。其中集中式系统（1个MPPT）中遮挡产生的总功率损失为7.806%；单组串MPPT系统（共101 个MPPT）产生的功率损失为5.923%；微逆系统（共101*21=2121 个MPPT）产生的功率损失为3.66% 。
(b) 阵列及故障一定，微逆提高的系统发电量固定；但不同MPPT个数的组串式系统提高的系统发电量不同，MPPT的个数与功率提高百分比成线性关系但不成正比。
(c) 组串式系统中MPPT路数越多，发电量提高量越多。但即使完全消除并联带来的功率损失，组串式最多只能弥补2.26%的并联功率损失，对剩余的串联功率损失与遮挡产生的功率损失不起作用。这与系统功率损失理论分析是相符合的。
(d) 微逆含有的MPPT个数最多，但也只能提高时提高4.146%的发电量，并不能达到100%，这是由于剩余的组件功率损失无法通过电气解耦得到弥补，因此充分证明了前述系统功率损失分析理论的正确性。
(e) 上述仿真背景较极端，实际环境极少出现这样恶劣的情况，可供微逆与组串式弥补的串联、并联功率损失并不会有这么多，因此它们相对于集中式系统的优势也不会这样明显。
3.3 大型荒漠电站仿真
我国目前的光伏电站大都建在西北荒漠地带，因此研究大型荒漠电站的失配更具有实际意义。大型荒漠电站所处地势平坦，面积广阔，其周围基本无遮挡物，局部遮挡发生少，因此各组串本身特性失配即组件衰减成为阵列失配现象的主要影响因素。组件衰减或老化等原因导致功率输出减少归根结底表现为组件的主要电气特性参数相对于铭牌上标注的数据发生变化。因此，可以通过对输入模型的特性参数进行一定的调节以达到模拟失配现象的目的。
对于上述500KW电站，分别用衰减率为3%和10%的组件作为影响量，随机分配到阵列各位置上，分析三种连接方案的发电量损失差别。 各情况下的仿真数据如下表 6所示。
|
衰减率 |
系统连接方案 |
非随机情况1 |
非随机情况2 |
非随机情况3 |
非随机情况4 |
随机情况 |
|
3% |
集中式(%) |
1.674 |
1.198 |
1.411 |
1.785 |
0.866 |
|
组串式(%) |
1.645 |
1.164 |
1.368 |
1.747 |
0.839 |
|
|
微逆(%) |
1.624 |
1.131 |
1.341 |
1.717 |
0.807 |
|
|
10% |
集中式(%) |
5.827 |
4.183 |
4.903 |
6.140 |
3.031 |
|
组串式(%) |
5.600 |
4.060 |
4.704 |
5.976 |
2.979 |
|
|
微逆(%) |
5.429 |
3.780 |
4.484 |
5.741 |
2.698 |
注意：组串式含101个MPPT，为单组串MPPT系统；上述仿真都是在标况下进行的。
表中对比的四种非随机情况均代表人为选择衰减组件的数目及发生位置的情况；随机情况指用 Matlab生成随机数（符合正态分布）表示各组串中衰减组件个数，模拟各逆变器随机分布中的某一种情况。实际情况中衰减组件必然随机出现在光伏阵列中，因此随机情况下的对比仿真更显实际性与有效性。
表 7 荒漠电站系统中各仿真情况的系统功率损失分析
|
衰减率 |
各部分损失计算 |
非随机情况1 |
非随机情况2 |
非随机情况3 |
非随机情况4 |
随机情况 |
|
3% |
组件功率损失(%) |
1.624 |
1.131 |
1.341 |
1.717 |
0.807 |
|
并联功率损失(%) |
0.028 |
0.034 |
0.043 |
0.038 |
0.027 |
|
|
串联功率损失(%) |
0.021 |
0.033 |
0.026 |
0.030 |
0.032 |
|
|
10% |
组件功率损失(%) |
5.429 |
3.78 |
4.484 |
5.741 |
2.698 |
|
并联功率损失(%) |
0.227 |
0.123 |
0.199 |
0.164 |
0.052 |
|
|
串联功率损失(%) |
0.171 |
0.280 |
0.220 |
0.236 |
0.281 |
注意：四种非随机情况具体安排见附录。
从仿真结果及各部分功率损失分析中可看出，
首先在由衰减导致的失配阵列中，由于衰减组件数目较多，因此系统的功率损失都较大；且衰减率越大，损失越多。
其次，各情况下的系统功率损失中组件功率损失占据了主体，串联、并联功率损失都相对来说较小，因此组串式与微逆的系统功率提高优势都不明显。
再次，由表中各数据可知，衰减组件被特殊安排时，衰减率越大，并联损失越多，因此微逆方案与组串式方案较集中式方案提高的功率越多。但在符合正态分布的随机情况下，并联损失均较少，微逆方案和组串式方案较集中式功率提高都很少。这是由于失配组件大面积随机分布在阵列中，各组串之间相似性很大的缘故。
依此类推，当各组件衰减率不同时，根据衰减组件分布的随机性，各逆变器内的组串也必然不能保证刚好各异，因此微逆与组串式方案较集中式方案的发电量提高更加不明显。
4 结论
本文从理论上研究了光伏系统的发电量损失，对集中式、组串式、微逆三种不同连接系统进行了仿真与分析，得出了以下相关结论：微逆同时避免了组件串联、并联造成的功率损失；其效果最好 ，但成本最大，实现难度较大。组串式主要避免了组串并联造成的功率损失；因此能较集中式提高一定的发电量；提高是绝对的，提高多少需要具体情况具体分析。集中式系统因从成本、人力等原因出发没有对串并联功率损失进行弥补，从而使系统损失比前面两者均要大些，但成本较小，容易实现。
集中式系统是最典型的系统，其功率损失比微逆系统与组串式系统大，但成本投入最少，因此在实际应用中可综合各方面因素考虑。微逆系统同时弥补串联、并联功率损失，因此对任意容易产生失配故障的光伏电站系统都有效。但鉴于其实现成本太大，投入的与产生很成正比，因此目前为止其应用得较少。由于组串式弥补的是并联功率损失，因此适用于含多种不同环境如地势不平整、易发生遮挡的电站中，如山地、丘陵等电站，或者组件朝向不一致的屋顶电站，这些组串并联功率损失较大的场合。对于地势平坦、环境情况单一、失配现象均匀、遮挡少有发生的光伏电站，微逆系统、组串式系统、集中式系统在发电量上并无明显差别。因此，大型荒漠光伏电站中，微逆和组串式系统在提高发电量上的优势不明显，反而增加了投资成本。
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附录 A
表 8中的四种非随机情况下各组串式MPPT里各组串的遮挡情况分别如下所示。表中的“n*6”表示6个组串均被遮挡n个组件。
|
MPPT编号 |
非随机情况1 |
非随机情况2 |
非随机情况3 |
非随机情况4 |
|
MPPT-1 |
0*6 |
0*6 |
0*6 |
0*6 |
|
MPPT-2 |
0*6 |
1*6 |
1*6 |
2*6 |
|
MPPT-3 |
0*6 |
2*6 |
2*6 |
4*6 |
|
MPPT-4 |
21*6 |
3*6 |
3*6 |
6*6 |
|
MPPT-5 |
21*6 |
4*6 |
4*6 |
8*6 |
|
MPPT-6 |
21*6 |
5*6 |
5*6 |
10*6 |
|
MPPT-7 |
10*6 |
6*6 |
6*6 |
11*6 |
|
MPPT-8 |
10*6 |
7*6 |
7*6 |
12*6 |
|
MPPT-9 |
10*6 |
8*6 |
8*6 |
13*6 |
|
MPPT-10 |
5*6 |
9*6 |
9*6 |
14*6 |
|
MPPT-11 |
5*6 |
10*6 |
10*6 |
15*6 |
|
MPPT-12 |
5*6 |
11*6 |
11*6 |
16*6 |
|
MPPT-13 |
15*6 |
12*6 |
21*6 |
17*6 |
|
MPPT-14 |
15*6 |
13*6 |
20*6 |
18*6 |
|
MPPT-15 |
15*6 |
14*6 |
19*6 |
19*6 |
|
MPPT-16 |
21*6 |
15*6 |
18*6 |
20*6 |
|
MPPT-17 |
21*5 |
16*5 |
17*5 |
21*5 |
作者简介：
倪 华 男，1982年生，高级研发工程师，研究方向为新能源发电。nih@sungrowpower.com
陈 娟 女，1988年生，电气工程师，研究方向为新能源，光伏阵列仿真，光伏逆变器。chenj@sungrowpower.com
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任何失配现象都会给光伏电站系统带来功率损失，对此，本文着重进行了分析与仿真验证。首先建立了基于工程计算方法的MATLAB仿真模型，并验证了模型的正确性。
