太阳能发电作为一种新兴的绿色能源，与传统 的能源相比具有储量丰富、分布广泛、清洁环保等 优点，近年来得到了迅速推广应用。

随着光伏组件及逆变器生产成本的下降，大规 模的光伏阵列并网发电成为近期新能源发电新趋 势。由于发展时间较短，我国大规模光伏阵列并网 发电的设计以及运行经验大部分来自以前的小规 模光伏发电或是国外的经验。对于光伏发电单元， 阴影的遮挡可能导致有逆流通过光伏组件，使组件 发热损坏。为了防止发生阴影遮挡时高电压支路的电流流向低电压支路，形成组件间环流，导致组 件发热，损坏组件，通常的解决方法是在光伏组件 回路设置防反二极管。因此，光伏阵列的防反二极 管的设置是在大规模光伏阵列发电工程设计中需 要解决的重点问题。

本文从光伏电池的工程模型出发，通过仿真计 算在发生遮挡情况下，流经被遮挡电池的反向电流 以及发热量，来最终确定是否需要设置防反二极管 以及设置的具体位置；完善光伏阵列的设计工作， 优化相关电气器件的选取。 1 光伏阵列的串并联形式及防反二极管设 置 1.1 光伏阵列的串并联形式

对于大规模光伏阵列，为减少光伏阵列与逆变 器间联络电缆，减少电缆材料用量及电缆敷设费 用，目前光伏阵列的串并联方式主要是“串—并— 并”方式^{[1, 2]}，具体见图 1。首先是就地n个光伏组件 在支架上进行串联，提高回路电压，降低输电损耗， 然后就地的m个串组件送至就地汇流箱进行第一次 并联，接着k个就地汇流箱将所汇集的电流送至逆 变器就地的直流母线进行第二次并联汇集，通常设 置直流配电柜。

图 1(Figure 1)

图 1 光伏阵列结构

目前国内的大规模光伏发电工程中防反二极 管设置有2种方式：设置在每个光伏组件串回路，通 常放置在汇流箱内；设置在每个汇流箱的输出回 路，通常放置在直流配电柜内。

设置防反二极管可能带来以下问题：

（1）导致设备体积增大；

（2）增加工程造价；

（3）二极管发热导致运行环境温度升高带来 的一系列问题。特别是当防反二极管设置在汇流 箱内时，由于汇流箱设置在户外，所以汇流箱的防 护等级较高（通常选取IP54以上），密闭性好，但散 热较差，热量的积累导致汇流箱温度升高。我国大 规模光伏阵列主要集中在新疆、内蒙古西部、青海 等夏季炎热干旱的地区。在夏季，部分光伏阵列发 电现场汇流箱内的工作温度达到80℃，此时汇流箱 内电气器件的选取需要考虑高温运行环境的影响， 选取额定参数较高的器件，需考虑高温条件下的降 容系数，才可以满足夏季稳定运行需求。但是到了 冬季，北方地区的气候寒冷，汇流箱内的工作温度 低，此时汇流箱内的电气器件参数裕量相对冬季工 作环境太大（冬季光照相对较弱，电气器件参数不 需太高），给安全运行带来隐患。同时由于运行温 度高，检测单元及检测传感器的电子器件会发生温 漂，影响采样数据的准确性。 2 受遮挡光伏组件的工程模型

建在地势较为平坦场地的大规模光伏阵列通 常发生的遮挡都是云层遮挡。受云层遮挡直接影 响的组件数量可能较多，本次建模假设遮挡以1个 光伏组件串为基本单位，光伏电池的运行温度为标 准测试条件（STC）下温度。

根据光伏组件的工程模型，在厂商提供的STC 下的电性能参数为：组件短路电流ISC、组件开路电 压U_OC、组件峰值功率电流Im、组件峰值功率电压Um， 通过补偿系数近似计算任意辐照强度和温度下的 输出I—U特性曲线^[3]。

I_SC—STC下组件的短路电流；

U_W—光伏阵列的工作电压；

U_OC—STC下组件的开路电压；

C₁、C₂—中间参数；

T—实际电池温度；

T_ref—STC电池温度，为25℃；

ΔS—实际辐照强度与STC辐照强度差；

S—实际辐照强度；

S_ref—STC辐照强度，为1000W/m²；

I′_SC—遮挡条件下组件的短路电流；

U′_OC—遮挡条件下组件的开路电压；

I′_m—遮挡条件下组件的峰值功率电流；

U′_m—遮挡条件下组件的峰值功率电压；

e—自然对数；

a、b、c—补偿系数。

根据该模型，计算在有遮挡的情况下组件的工 作电压及工作电流。文献^[3]推荐的补偿系数典型 值为：a=0.0025/℃，b=0.0005m²/W，c=0.0028/℃。 3 光伏阵列中受遮挡光伏组件逆流计算

是否设置防反二极管以及设置位置不同，通过 被遮挡组件的电流大小则不同。假设组件工作STC 温度25℃，工作电压为U_OC，受遮挡的器件的辐照强 度为200W/m^{2 [4]}。在该条件下计算被遮挡组件可能 通过的最大反向电流，据此来决定是否配置防反二 极管，以及防反二极管的位置。 3.1 不设置防反二极管

当发生某串光伏组件被遮挡时，连接至同1个 逆变器的所有其他光伏组件串都将为此串光伏组 件提供反向电流。根据某工程实际情况，在大规模 光伏阵列中，每串光伏组件的功率大约为连接至同 一逆变器的光伏组件总功率的1%。此时可以忽略 由于该串组件中通过了反向电流而对其他光伏组 件串工作电流电压的影响，即可以认为此时光伏组 件的工作电压为U_OC。

根据式（3）—（7）计算出在被遮挡的情况下，光 伏组件的工程参数遮挡条件下开路电压U′_OC、短路 电流I′_SC、峰值功率电压V′_m、峰值功率电流I′_m。根 据式（1）计算反向电流：

（1）串联在光伏组件串回路，放置在汇流箱 内，在遮挡条件下不会产生反向电流。

（2）串联在汇流箱的输出回路，放置在直流配 电柜内。此时发生某串光伏组件被遮挡时，连接至 同1个汇流箱的所有其他光伏组件串都将为此串光 伏组件提供反向电流，而连接至同1个逆变器的其 他汇流箱的光伏组件串由于该回路防反二极管的 作用不会为此串光伏组件提供反向电流。在工程 实践中，汇流箱的常见标准产品有6、8、10、12、16个 汇流回路这些规格，也可以根据用户需求进行订 制，此处以m来表示汇流箱可以汇流的回路数（如图 1所示）。在初始工作电压为U_OC情况下，由于每串 组件功率在接入每个汇流箱总功率中都占有相当 的比例，所以在发生遮挡的情况下，其他组件串在 为被遮挡组件串提供反向电流时，不能忽略工作电 压的下降。工作电压U_W将小于U_OC。为计算该种情 况下的反向电流，设计了具体算法，算法包括6个过 程，流程图如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 直流配电柜配置防反二极管的电流计算流程

由于光伏组件的电流与电压间是指数函数的 关系，所以应注意电流变化步长与电压误差限值的 选取。图 3是某型号光伏组件在反向偏置的情况下 的I—U曲线，随着电压的增加，电流呈现为以e为 底、以电压为指数的函数。如果汇流箱的并列支路 较少，电流变化步长与电压误差限值的选取不当， 则可能导致算法中的过程4始终不成立，而无法得 出计算结果。

图 3(Figure 3)

图 3 某型号光伏组件在反向偏置的情况下的I—U曲线

由于各个光伏组件厂商提供的设计资料有差 别，所以过程6的判断方式有2种：一种是厂家直接 提供了组件可以承受的最大反向电流If，此时可以 直接比较反向电流I_ZDW与I_f的值，来判断防反二极管的配置是否合理。另一种是厂家未提供相关耐受 的反向电流值，这时可以通过工作电压U_ZDW得出加 在每个光伏电池上的电压U_W，乘以反向电流I_ZDW，即 为每个光伏电池消耗的功率。一般情况下，商用光 伏组件中单体光伏电池消耗的最大功率上限为25 W^[5]，超过该值，产生的热量将可能破坏单体光伏电 池或者光伏组件的封装材料。 4 基于某典型光伏组件的逆流计算

选取某厂商的光伏组件，通过本文给出的算法 进行计算，确定防反二极管的配置位置。

（1）选取某250W的器件进行计算，该器件参 数为：U_OC=38.4V，I_SC=8.79A，I_m=8.24A，U_m=30.4V， 最大反向电流15A。在辐照度为200W/m²的条件 下，当不配置防反二极管时，计算出反向电流为 20.06A，当在直流配电柜内配置防反二极管时，计 算出反向电流为16.63A。所以在应用该器件的现 场需要在汇流箱内配置防反二极管。

（2）选取某225W的器件进行计算，该器件参 数为：U_OC=31.3V，I_SC=9.61A，I_m=9.01A，U_m=25.0V， 最大反向电流20A。在辐照度为200W/m²的条件 下，当不配置防反二极管时，计算出反向电流为 24.18A；当在直流配电柜内配置防反二极管时，计 算出反向电流为19.7A。所以在应用该器件的现场 需要在直流配电柜内配置防反二极管。 5 结语

本文在建立光伏电池工程应用模型的基础上， 根据光伏阵列的串并联关系，采用光伏组件生产厂 商提供的I_SC、U_OC、I_m、U_m等参数对在遮挡条件下的反 向电流进行计算。根据计算结果，确定防反二极管 的配置方式，进而优化设计方案以及设备选型，优 化了设计过程，统一了设计标准。

对于需要在汇流箱配置防反二极管的光伏阵 列，可以在设备选型时，增大汇流箱体积、增加散热 手段、将汇流箱放置在组件背面的阴影内等，以降 低汇流箱运行温度。