IEA PVPS Task 13 旨在提升光伏系统运行效率、可靠性和组件质量，通过收集不同气候区域的光伏系统运行数据，评估当前光伏可靠性和性能状况。Task 13 提供了一个通用平台，用于总结和报告影响光伏系统质量、性能、可靠性和寿命的技术因素，通过跨国合作，整合各成员国的研究经验，形成最佳实践和方法，确保光伏系统最佳运行并持续提供有竞争力的投资回报。
光伏组件和系统
- 部分遮阳光伏组件：遮阳会导致光伏电池电流变化几十个百分比，电压变化仅几个百分比。为解决这一问题，光伏组件通常采用串联连接，并使用旁路二极管（BD）来桥接不均匀的电流。标准组件通常每串包含三个BD，但在严重遮阳情况下，可能导致局部电池过热，造成损坏或火灾风险。为解决此问题，耐阴光伏组件使用四个或更多BD，可选择性旁路模块中较小、效率较低的区域，并有效防止热点效应。
- 功率电子设备：光伏系统中的功率电子设备会导致功率损耗，主要驱动因素包括开关损耗、半导体和电感器的欧姆损耗、滤波器线圈的铁损以及内部电路的静态损耗。光伏系统中使用的主要功率电子设备是光伏直流交流逆变器，目前大多数系统使用字符串逆变器（SINV）。近年来，模块级功率电子（MLPE）系统也越来越受欢迎，MLPE 可为每个光伏组件提供模块级控制，从而在部分遮阳条件下提高产量。
- 典型遮阳情况：常见的遮阳情况包括系统设计（如屋脊遮挡、后方遮挡）、环境因素（如积雪、污垢、树木阴影等）以及城市环境中的各种遮挡物（如建筑物、烟囱、通风管道、阁楼等）。
室内测量结果
- 字符串逆变器效率：标准测试协议 IEC 61683 和 IEC 62891 规定了光伏逆变器的性能测试方法，包括效率测量和最大功率点跟踪效率测量。研究表明，字符串逆变器的最高效率通常在额定输入直流电压下达到，且效率随输入电压的变化而变化。
- 直流交流模块逆变器：微逆变器可用于单个光伏组件或小型光伏系统的运行，提供与字符串逆变器相同的功能，但专为低功率光伏应用设计。
- 直流直流功率优化器：功率优化器通过 DC/DC 转换器将模块输出与字符串耦合解耦，从而提高部分遮阳条件下的产量。然而，MLPE 制造商通常只提供最佳工作点的效率数据，而忽略了实际运行条件下的效率损失。
- 直流直流交流系统：研究表明，MLPE 系统的效率通常低于数据表中的标称效率，尤其是在部分遮阳条件下。
- 瞬态功率电子测量：瞬态功率电子测量对于评估实际运行条件下的光伏系统性能至关重要。研究表明，一些商业 MLPE 产品无法在部分遮阳条件下找到绝对最大功率点。
室外测量结果
- MLPE 测试设置：室外测试结果表明，在典型的遮阳情况下，SINV 和 MLPE 系统之间的年产量差异通常不超过 3%。
- 耐阴光伏组件测试设置：研究表明，智能光伏测试模块在部分遮阳条件下可显著提高产量，并有效防止热点效应。
- 单轴跟踪器遮阳：研究表明，通过改进跟踪算法，可以显著减少单轴跟踪光伏电站的遮阳损失。
年度模拟和性能
- 商业模拟工具：商业光伏规划工具通常使用 MLPE 制造商提供的效率数据，但这些数据往往被高估，导致对 SINV 和 MLPE 系统的年产量评估不准确。
- ZHAW PVshade 模拟：ZHAW 开发的 PVshade 模拟工具考虑了 MLPE 的实际效率损失，并与商业工具进行了比较。结果表明，对于轻度至中度遮阳的光伏发电系统，SINV 的性能优于 MLPE。
- Zenit Fraunhofer ISE 模拟：Zenit 模拟工具对遮阳情况下的光伏系统进行了模拟，并与 ZHAW PVshade 模拟结果进行了比较，结果高度一致。
MLPE 系统的优缺点
- 寿命和故障：MLPE 系统的故障率通常高于 SINV 系统，但主要原因是 MLPE 数量较多，单个 MLPE 的可靠性较高。
- 系统成本和 LCOE：MLPE 系统的硬件成本通常高于 SINV 系统，但需要考虑安装、维护和服务成本。
- 遮阳引起的热点效应：遮阳会导致热点效应，可能造成组件损坏或火灾风险。SINV 和 MLPE 系统均可通过控制策略来防止热点效应。
- 安全和风险：MLPE 系统需要考虑系统电压、安全直流电、电弧故障检测和设备过热等问题。
- 电磁辐射和兼容性：MLPE 系统的电磁辐射通常高于 SINV 系统，需要满足电磁兼容性要求。
对光伏安装商的建议
- 不同遮阳程度的系统：对于轻度遮阳，SINV 系统通常优于 MLPE 系统，但需要考虑 MLPE 的实际效率损失。对于严重遮阳，MLPE 系统可以提高产量，但需要考虑成本和可靠性。
- 朝向和字符串长度：不同朝向的光伏组件和较短的字符串长度需要使用多字符串逆变器或 MLPE 系统。
- 单轴跟踪改进：改进单轴跟踪算法可以减少遮阳损失，提高发电量。
结论
SINV 和 MLPE 系统在部分遮阳条件下的年产量差异通常小于 3%。对于轻度至中度遮阳的光伏发电系统，SINV 的性能优于 MLPE。MLPE 系统在严重遮阳条件下可以提高产量，但需要考虑成本和可靠性。耐阴光伏组件与 SINV 系统结合可提供更高的性能和可靠性。MLPE 制造商需要提供更精确的效率数据，以便光伏设计人员做出更明智的决策。
