光伏系统直流失配损失与仿真方案

光伏电站由大量组件（往往成百上千块光伏组件）通过串并联而成，当组件串联时每块组件工作电流必须一致，而组串并联式每串组串的工作电压也必须一致，而一组独立的直流系统工作点（特定电压电流）只能是唯一的，这就导致当每一块组件最大功率（MPPT）点电压电流不一致（失配）时部分能量就会损失掉。例如下图所示，当两串组串MPPT点电压不一致时，并联后由于组串必须工作在一个电压点（新电压点取决于两串构成的子系统最大功率点），导致每一串组串无法工作在各自最大功率输出点，部分能量因此而损失掉。

图 不同组串最大功率点差异示意

虽然失配损失原理很简单，但光伏电站具体失配损失评估一直是一个争议很大的话题，究其原因是业界并没有公认有效的测试方法，同时影响失配的因素又非常多，例如，虽然很多分析中会采用组件出厂时电流和电压分布进行分析，但实际项目中组件自身的电压电流分布已经是失配来源的次要因素，很多时候环境因素（例如灰尘、温度场、辐照场分布）以及组件衰减的不一致等因素导致的光伏组件电压电流的失配比组件额定电性能参数的不一致性可能要大许多，即便是同一个电站在不同时间、不同运行状态下实际的失配损失都会存在很大的差异。

但这也不意味着电站的失配损失完全是抓瞎或者损失评估完全失去意义。个人比较倾向的方案是假设出组件不一致性的区间，从而得出一个损失范围，在做后续分析时根据电站状态采用‘半定量’范围的方式。

评估的具体方案可以采用‘蒙特卡洛法’，即根据假设的电压电流离散度（均方根）通过‘太阳电池模型’中的二极管模型随机生成所要评估数量的每一块组件的IV曲线，随后再以随机方式将所有组件分成相应的组串，根据电路串并联的原则得到每一串组串的IV曲线以及并联子系统的IV曲线，随后通过下式根据组件、组串、并联子系统最大功率评估出相关的失配损失。

当然，由于计算过程为随机产生及分配，每次运算结果会略有差异，但如果组件数量足够计算结果就会‘收敛’（实际经验100串组串以上的系统每次运行产生结果几乎是一致的）。

利用上两篇中组件和组串数学模型，根据不同的电压、电流分布设置采用蒙特卡洛法可随机生成组件IV曲线，通过随机组合成组串后即可计算不同条件子阵失配损失，不同数量组串/MPPT组合下失配损失计算Matlab代码如下：

以下以蒙特卡洛法计算1500V系统200串系统在8串/MPPT为例，不同电压电流离散度条件下的失配损失仿真结果。

当然，上述失配损失分析结果只是特定条件下的失配损失，在真实电站系统基本都会对直流容量相对于交流容量进行超配（例如1MWac交流容量根据条件不同配1.2~1.5MWp直流容量）以降低度电成本，因此全年中很多情况下直流侧输出功率大于交流输出能力导致逆变器限发，此时组串并不会工作在最大功率点，也谈不上失配损失了。