霍振楠
(中核汇能(山东)能源有限公司，济南 250014)
在过去几十年中，受技术和成本等各种因素的推动，硅片尺寸从最初的125 mm进化到158.75 mm后，维持了很多年；
之后又进化到当下的166 mm(M6)、182 mm(M10)和210 mm(G12)等。目前，125 mm硅片早已不再生产，158.75 mm硅片也近乎淘汰，166 mm硅片作为182 mm和210 mm等大尺寸硅片的过渡者，已成为当前市场上主流太阳电池用硅片尺寸，但182 mm和210 mm等大尺寸硅片的使用量也在增多。
硅片尺寸的增大导致太阳电池面积的增加，从而会对光伏组件的电性能参数产生一定影响。由于太阳电池的输出电流与其面积有关，面积越大，其输出电流越大。逆变器直流侧对接入的光伏组串的输出电流有一定限制，对于传统的组串式逆变器而言，1个最大功率点追踪(MPPT)的最大输入电流为30 A(当前也有少量组串式逆变器1个MPPT的最大输入电流为26 A)，当接入两串光伏组串时，每串光伏组串的输出电流最大仅能为15 A。
在中国大部分地区，采用166 mm硅片的光伏组件(下文简称为“166 mm硅片光伏组件”)组成的光伏组串在正常工况下的输出电流小于15 A，传统的组串式逆变器和166 mm硅片光伏组件是适配的。而对于高太阳辐照度地区，在地面反射率较高的情况下，采用182 mm硅片的光伏组件(下文简称为“182 mm硅片光伏组件”)组成的光伏组串在正常工况下的输出电流则可能会达到15 A，对于大部分高太阳辐照度地区而言，传统组串式逆变器仍然与182 mm硅片光伏组件适配。对于采用210 mm硅片的光伏组件(下文简称为“210 mm硅片光伏组件”)，由于其额定输出电流已经超过了17 A，接入传统的组串式逆变器后引起输出电流限制的可能性大幅提高，尤其是在太阳能资源丰富的Ⅰ、Ⅱ类资源区，太阳辐照度超过800 W/m2后，光伏组串的输出电流非常容易超过组串式逆变器的允许输入电流，从而带来一定的限流损失[1-2]。本文针对当前210 mm硅片光伏组件与现有组串式逆变器之间不匹配导致的限流损失、过载损失问题，首先利用PVsyst仿真软件对3种逆变器设置模式时逆变器的限流损失和过载损失情况进行模拟，从中选取最优的逆变器设置模式；
然后模拟分析采用“多MPPT+power sharing”逆变器设置模式时，组串式逆变器在不同太阳能资源区和不同容配比下的限流损失和过载损失情况。
本文以位于宁夏回族自治区中卫市的光伏电站为例进行分析，电站所在地总体为平缓的山坡地形，地表反射率为20%。通过Solargis数据库查询得到中卫市的水平面总太阳辐射量为1669 kWh/m2，属于Ⅱ类太阳能资源区。光伏组件选用某厂家生产的采用210 mm硅片的540 Wp双面双玻光伏组件。
1.1 逆变器选型
由于集中式逆变器与210 mm硅片光伏组件的匹配性较好，本文不再进行分析；
对于组串式逆变器而言，当光伏电站不是建设在平整地形上时，其选型需进行详细测算。当前，组串式逆变器厂家的MPPT直流侧输入电流均在30 A及以下，小于两串光伏组串(以每串光伏组串由36块540 Wp光伏组件组成为例)的输出电流。通常，210 mm硅片光伏组件与组串式逆变器搭配时的接入方案为以1路MPPT接入1串光伏组串为主，出于提高容配比的需要，部分MPPT会接入2串光伏组串。
3个厂家生产的组串式逆变器的技术参数如表1所示。表中，“3/PE”是指三相四线的进线。
表1 3个厂家生产的组串式逆变器的技术参数Table 1 Technical parameters of string inverters produced by three manufacturers
当36块540 Wp光伏组件串联成1串光伏组串时，厂家A生产的196 kW组串式逆变器接入9串光伏组串时容配比(光伏组串容量和逆变器功率的比值)约为0.89:1；
厂家B 生产的225 kW组串式逆变器接入12串光伏组串时容配比约为1.04∶1；
厂家C生产的 230 kW组串式逆变器接入14串光伏组件串时容配比约为1.18∶1。容配比较小时，光伏发电系统成本较高，需通过增加光伏组串数量来提升容配比[3]。本文以厂家A生产的196 kW组串式逆变器为例进行分析。
1.2 光伏发电系统设计方案
当采用196 kW组串式逆变器时，根据逆变器接入的光伏组串数量不同[3-4]，可得到不同光伏发电系统设计方案，具体如表2所示。
表2 不同光伏组串数量时的光伏发电系统设计方案Table 2 Design schemes of PV power generation system with different number of PV strings
针对组串式逆变器的1个MPPT接入2个光伏组串时直流侧MPPT的限流损失情况，本文借助专业的仿真软件PVsyst，对逆变器直流侧的限流损失和超配时交流侧的限功率情况(即过载损失)进行了模拟分析。
通过对本光伏电站中某光伏方阵全年8760 h的发电量数据进行分析，发现该组串式逆变器接入的光伏组串为9串时，光伏组串的最大输出电流为183.42 A，折合每串光伏组串最大输出电流约为20.5 A(含背面增益)；
光伏组串的总输出电流大于135 A(15 A×9)的时间为498 h。
当两串光伏组串接入1个MPPT时，每串光伏组串的最大输出电流20.5 A和近500 h的限流时间(过流时间约占白天总发电时间的14%)会对光伏电站造成怎样的损失？针对此问题，本文利用PVsyst软件进行模拟，在利用软件进行模拟时组串式逆变器共有3种设置模式：1)逆变器按台数设置，即单台逆变器模式，无需设置MPPT数量；
2)逆变器按多MPPT模式设置，勾选“Use multi-MPPT feature”；
3)逆变器按“Use multi-MPPT feature + power sharing”(下文简称为“多MPPT+power sharing”)模式设置。
3种设置模式的不同之处在于：当组串式逆变器按台数设置时，软件会默认为逆变器只有1路MPPT；
当组串式逆变器按多MPPT模式设置时，逆变器会将额定功率平均分配给每一路MPPT，1路MPPT接入两串光伏组串时，容配比为1.79:1，相对于只接入1串光伏组串时的容配比(0.89:1)，表现出很大的差异性和实际运行中的不合理性。这是因为MPPT实际上的最大跟踪功率(根据厂家提供的数据，单路MPPT的最大跟踪功率为37 kW)大于其平均功率。而采用“多MPPT+power sharing”模式时，逆变器可根据每路MPPT实际接入的光伏组串容量均衡调配功率，但逆变器总功率保持不变，仿真更精细。
当光伏组串数量为12串时，对分别采用3种逆变器设置模式时逆变器的限流损失情况进行模拟，模拟结果如表3所示。
表3 3种逆变器设置模式时逆变器的限流损失情况Table 3 Current limiting loss of inverter in three inverter setting modes
从表3可以看出：采用多MPPT模式时，每路MPPT按额定功率分配，则3路MPPT接入6串光伏组串的容配比非常大，过载损失远超其他两种模式；
采用单台逆变器模式时，按台设置，无法体现出部分MPPT的限流损失；
采用“多MPPT+power sharing”模式时，模拟得到的逆变器限流损失值更精确。因此，下文分析时均采用“多MPPT+power sharing”模式。
以sub-array1#和sub-array2#这两个光伏方阵为例，这两个光伏方阵均包括6串光伏组串，当采用196 kW组串式逆变器时，选择“多路MPPT + power sharing“模式。其中，设置subarray1#为6路MPPT共接入6串光伏组串，每路接入1串光伏组串；
sub-array2#为3路MPPT共接入6串光伏组串，每路接入2串光伏组串；
通过power sharing功能分别设置两种MPPT的额定功率值限值。power sharing功能的设置过程如图1所示。
图1 power sharing功能设置过程Fig. 1 Setting process of power sharing function
根据组串式逆变器接入的光伏组串数量不同，共得到6种方案，针对各个方案，本文均采用“多MPPT+power sharing”模式进行模拟，模拟结果如表4所示。
表4 不同方案时逆变器的模拟结果Table 4 Simulation results of inverter under different schemes
经过PVsyst软件内建模分析发现，从逆变器先接入9串光伏组串到逐步增加至接入14串光伏组串，容配比逐步增加，容配比增大时过载损失逐步起主要作用，限流损失先逐步增加后减少为零。当逆变器接入14串光伏组串时，先出现交流输出端限功率。
此外，本文利用PVsyst软件，再以Ⅰ类太阳能资源区的青海省共和县和Ⅲ类太阳能资源区的湖北省麻城县作为光伏电站所在地进行分析后发现：1)不同容配比时对应的系统效率、限流损失、过载损失等各项损失数据不一致，但损失的总体变化趋势一致，限流损失的大小与太阳能资源的强弱相关。2)选用225 kW组串式逆变器时，当接入的光伏组串数量从12串增大到16串后，对应的容配比从1.04:1增大到1.38:1，由于MPPT有最大输入电流限制和交流输出端限功率的情况，同样得出“容配比较低时限流损失明显，容配比较高时限功率输出起主要作用”的结论。3)地表反射率、光伏组件的逐年衰减率也会影响限流损失和过载损失情况。
本文以位于Ⅱ类太阳能资源区的宁夏回族自治区中卫市的光伏电站为例，针对当前210 mm硅片光伏组件与现有组串式逆变器之间不匹配导致的限流损失、过载损失问题，首先利用PVsyst仿真软件对3种逆变器设置模式时逆变器的限流损失和过载损失情况进行了模拟，从中选取最优的逆变器设置模式；
然后模拟分析了采用“多MPPT+power sharing”逆变器设置模式时，组串式逆变器在不同太阳能资源区和不同容配比下的限流损失和过载损失情况。模拟结果显示：对于1个MPPT的最大输入电流为30 A的组串式逆变器而言，其限流损失随容配比增大有先增后减的趋势，当容配比较大时则以逆变器的过载损失为主。虽然损失较少，但从25年的光伏电站寿命周期来看，积少成多，最终会影响电站的整体收益。
根据当前组串式逆变器的发展，即使是同型号的组串式逆变器，其MPPT的数量和输入电流也有多个版本可选，在对光伏组件和组串式逆变器选型时，光伏电站设计人员需做好选配工作。
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