華電電力科學(xué)研究院有限公司 李 憶 劉曉光

0.引言

世界范圍內(nèi)的能源短缺問題成為了人們面臨的主要問題，化石燃料的過度使用必然給環(huán)境帶來嚴(yán)重的影響。此時(shí)，清潔能源與可再生能源的地位被進(jìn)一步提升，太陽能光伏技術(shù)也有了更廣闊的發(fā)展前景。掌握行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會發(fā)展都具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1.光伏系統(tǒng)的常見損耗

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏陣列、電子變換器、儲能設(shè)備、負(fù)載設(shè)備等組成，實(shí)際的光伏系統(tǒng)也能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。但轉(zhuǎn)化過程中，必然會因系統(tǒng)因素而產(chǎn)生損耗。

1.1 失配損耗

由于光伏系統(tǒng)的構(gòu)建涉及到不同組件之間的串聯(lián)與并聯(lián)，讓電壓和電流符合交流逆變水平。但由于組件間的電氣參數(shù)存在差異，性能方面也存在一定的問題，使得一些組件在正式使用時(shí)的匹配性能不佳，電能損失情況嚴(yán)重。由于陣列失配包含了電流與電壓的失配，當(dāng)組串?dāng)?shù)增加后，單串電纜長度提升，會進(jìn)一步提升電壓失配的速度。所以根據(jù)當(dāng)時(shí)的電流值與功率參數(shù)對組件進(jìn)行優(yōu)化，可以減少因電流失配產(chǎn)生的損失。但是在具體的設(shè)計(jì)當(dāng)中還需要考慮到失配損耗系數(shù)。

1.2 電纜損耗

電纜的損耗包括直流電纜損耗與交流電纜損耗，前者多體現(xiàn)在雙芯電纜之上，后者則體現(xiàn)在并網(wǎng)點(diǎn)至箱變的電纜之上。電纜損耗產(chǎn)生的主要原因在于電阻值與電纜長度的關(guān)系而產(chǎn)生電阻率，電纜截面的變化會對電阻率產(chǎn)生影響[1]。即：

此時(shí)如果電阻值R保持不變，那么電流值的變化會對電能損耗產(chǎn)生一定的影響。另外，輸出功率一定的情況下，電壓等級與電流值之間同樣存在密切的關(guān)系。例如在現(xiàn)場的系統(tǒng)環(huán)境中，溫度、敷設(shè)方式等也會影響到損耗程度。

1.3 系統(tǒng)損耗

系統(tǒng)損耗體現(xiàn)在變壓器、逆變器等設(shè)備的損耗方面。變壓器的損耗主要表現(xiàn)為鐵損。光伏電站是利用太陽能來發(fā)電，所以工作時(shí)間為白天，在夜間時(shí)電壓器處于連接電網(wǎng)待機(jī)狀態(tài)，空載運(yùn)行必然產(chǎn)生損耗。從逆變器系統(tǒng)來看，系統(tǒng)效率直接影響到光伏系統(tǒng)的運(yùn)行，光伏逆變器的功率大于50%時(shí)，其功率權(quán)值達(dá)到最大值，特別是在一些溫度較高的區(qū)域，直流發(fā)電功率會低于STC標(biāo)準(zhǔn)值，逆變器實(shí)際性能與作用并不顯著，如何對系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的配置，讓負(fù)載工作位于效率點(diǎn)附近，也是未來的主要工作。

2.光伏系統(tǒng)效率優(yōu)化探討

由于光伏系統(tǒng)的陣列輸出具有非線性的特征，受到環(huán)境因素、太陽輻射等條件的影響程度較大。在一定的環(huán)境溫度下，光伏陣列可以在不同的輸出電壓下工作，但輸出功率最大值卻需要進(jìn)行合理計(jì)算。所以要想提升系統(tǒng)的整體效率，就需要對光伏陣列的工作點(diǎn)進(jìn)行合理調(diào)整，讓其能始終工作于最大功率點(diǎn)附近。具體來看可以從以下幾個(gè)方面展開。

2.1 光伏電池規(guī)劃

光伏電池的等效電路如圖1所示。

通過等效電路圖，可以得知光伏電池在正常情況下等效串聯(lián)的電阻較小，而等效并聯(lián)電阻較大，對于一般的工程系統(tǒng)來說，需要建立工程應(yīng)用模型，對輸出特性進(jìn)行規(guī)劃。太陽能電池的產(chǎn)品組件中也會涉及到開路電壓、短路電流與峰值功率等參數(shù)，這些參數(shù)對于光伏系統(tǒng)具有重要的作用[2]。出于對外界環(huán)境因素的考慮，仿真模型需要與系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間具有更加緊密的聯(lián)系。此時(shí)可以構(gòu)建光伏陣列曲線來對模型進(jìn)行規(guī)劃和描述，例如使用MATLAB仿真軟件構(gòu)件模型，可以反映出光伏陣列的特征，與實(shí)際的參數(shù)相對應(yīng)，設(shè)定簡便，對于系統(tǒng)級仿真應(yīng)用具有顯著的參考價(jià)值。

圖1 光伏電池等效電路

在溫度與環(huán)境因素一定的條件下，光伏電池輸出電流、電壓與功率之間也有著密切的聯(lián)系。伏安特性曲線具有顯著的非線性，不可能為負(fù)載提供大功率，輸出電流在大部分的電壓范圍內(nèi)可以保持恒定，電流下降率明顯。而光伏電池此時(shí)的輸出功率也和日照強(qiáng)度、太陽能光譜分布情況有關(guān)，太陽能電池的開路電壓與輸出功率在太陽輻照度不變的情況下都會隨著外界變化而變化，溫度會直接影響開路電壓。

2.2 逆變技術(shù)

傳統(tǒng)的逆變技術(shù)在結(jié)構(gòu)性能上已經(jīng)相對成熟，但是仍然存在著一定的缺陷。首先逆變器中的升壓變壓器是工頻變壓器，為了滿足系統(tǒng)的散熱要求，會加大工頻變壓器的體積與重量，此時(shí)不僅系統(tǒng)的成本增加，也會導(dǎo)致在系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生很大的噪音，且必須選用大電流規(guī)格的開關(guān)元件，對于一些輸入電壓和負(fù)載產(chǎn)生的波動，裝置動態(tài)響應(yīng)性能會有所降低。

因此，高頻鏈逆變技術(shù)隨之產(chǎn)生，不僅可以大幅減少逆變電源的性能，簡化結(jié)構(gòu)，還可以提升系統(tǒng)的效率。所以研究者們將研究方向也放在了交流患者的逆變器研究，包括電壓源型與電流源型。

電壓原型的逆變技術(shù)適用于各類低壓輸入變換的場合，但需要考慮到固有電壓的過沖問題，當(dāng)變壓器中電流被打斷時(shí)，儲存的能量會失去釋放回路，導(dǎo)致高頻變壓器與周波變換器之間的電壓過沖[3]。而電流源高頻逆變器并不需要考慮這些方面的問題，可以實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)損耗的目的，還可以解決電壓過沖問題，在控制方案和動態(tài)性能上都相對優(yōu)秀，也是目前逆變技術(shù)中主要采用的電路拓?fù)湫问剑哂懈玫膽?yīng)用前景。

2.3 最大功率點(diǎn)跟蹤模式

在光照強(qiáng)度不同的情況下，太陽能電池的伏安特性曲線也會存在差異。因?yàn)樗旧聿皇呛汶妷涸春秃汶娏髟?，而是一種非線性直流電源。當(dāng)溫度保持在某個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，最大功率點(diǎn)會保持在一根垂線的兩側(cè)，可以將最大功率點(diǎn)的軌跡看做是恒定垂線。此外，最大功率點(diǎn)的跟蹤模式還可以采用增量電導(dǎo)法來完成，也是MPPT的常見方法。光伏陣列電壓功率曲線是單峰值曲線，在最大輸出功率點(diǎn)時(shí)功率對電壓倒數(shù)為零，所以采用這種方式并不需要進(jìn)行多字節(jié)的計(jì)算工作就能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但需要注意的要點(diǎn)在于光伏陣列可能存在局部功率最大點(diǎn)，系統(tǒng)可能會穩(wěn)定在某一個(gè)工作點(diǎn)而不產(chǎn)生變化。

2.4 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)

傳統(tǒng)的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用的是電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而系統(tǒng)改進(jìn)之后，在并網(wǎng)運(yùn)行的模式之下，逆變器處于電流控制模式，并網(wǎng)電流的大小會受到光伏陣列輸出功率的影響，此時(shí)控制并網(wǎng)電流就相當(dāng)于對輸出功率進(jìn)行管控，逆變器的電流也會影響輸出功率的大小，采用雙閉環(huán)的控制模式來實(shí)現(xiàn)電壓同步和電流采樣等工作。目前在改進(jìn)的MPPT方法之中，擾動觀測法是常見的方法，但該模式容易受到外界環(huán)境的影響產(chǎn)生結(jié)果誤差，必然影響發(fā)電系統(tǒng)的效率[4]。所以為了降低系統(tǒng)損耗，就應(yīng)該在功率采樣點(diǎn)之間選擇正確的擾動方向，提升跟蹤效率，保障光伏陣列具備輸出最大功率的能力，對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3.結(jié)語

本次研究首先針對光伏系統(tǒng)的損耗情況進(jìn)行分析，分別從影響光伏發(fā)電效率的幾個(gè)因素展開了研究，并探討如何在效率上進(jìn)行優(yōu)化。而通過仿真模型的構(gòu)建，結(jié)果也表明最大功率跟蹤方法是提升光伏陣列效率的關(guān)鍵方式，此外還包括光伏電池、逆變技術(shù)、并網(wǎng)系統(tǒng)改進(jìn)等，均表現(xiàn)出了良好的動態(tài)特性。在未來的研究工作中，還可以考慮到系統(tǒng)的二次集成來調(diào)整結(jié)構(gòu)，采用模塊化的結(jié)構(gòu)減少分布參數(shù)，提升系統(tǒng)性能，便于對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。