不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的比較研究

寧 勇,戴瑜興,,王鎮(zhèn)道,彭子舜,王 洪

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082;2.溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江溫州 325035;3.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院,湖南長沙 410082;4.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院,湖南長沙 410081)

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不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的比較研究

寧 勇1,戴瑜興2,1,王鎮(zhèn)道3,彭子舜2,王 洪4

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082;2.溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江溫州 325035;3.湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院,湖南長沙 410082;4.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院,湖南長沙 410081)

光伏系統(tǒng)的MPPT架構(gòu)有集中式、組串式和分布式三種類型.不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)組件串并聯(lián)結(jié)構(gòu)不同,對局部陰影和組件參數(shù)失配產(chǎn)生的輸出功率損失表現(xiàn)出的抑制能力不一樣,發(fā)電效率有明顯差別.本文對不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率進(jìn)行比較研究,結(jié)果表明因局部陰影與組件參數(shù)失配影響,分布式MPPT光伏系統(tǒng)年均發(fā)電量比集中式MPPT光伏系統(tǒng)提高約4.65%～19.62%,比組串式MPPT光伏系統(tǒng)提高約2.64%～12.86%,具體數(shù)值隨發(fā)生陰影時(shí)間比例、參數(shù)失配幅度增大而變大,且與具體陰影情形有關(guān).

MPPT架構(gòu);光伏系統(tǒng);發(fā)電效率;局部陰影;組件參數(shù)失配

1 引言

光伏系統(tǒng)的MPPT(Maximum Power Point Tracking)架構(gòu)有集中式、組串式和分布式三種類型.早期的光伏系統(tǒng)主要是中大型并網(wǎng)光伏電站,大多采用集中式MPPT方式;隨著歐洲各國政府加大對光伏發(fā)電的補(bǔ)貼力度,安裝在居民屋頂?shù)墓夥到y(tǒng)大量出現(xiàn),屋頂所能安裝的組件數(shù)量有限,此類系統(tǒng)大多是采用組串式MPPT方式;近幾年,為提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和維護(hù)便利性,采用微逆變器和電源優(yōu)化器實(shí)現(xiàn)的分布式MPPT光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量增長迅猛.

集中式MPPT(Central MPPT,簡稱CMPPT)[1-3]光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低,中大規(guī)模CMPPT光伏系統(tǒng)功率范圍一般在幾十千瓦到幾百千瓦,大量的光伏組件串并聯(lián)構(gòu)成光伏陣列,通過2-3級匯流箱,集中到一個(gè)大型逆變器處,由逆變器實(shí)現(xiàn)整個(gè)光伏陣列的MPPT控制和逆變并網(wǎng)控制;中小規(guī)模CMPPT光伏系統(tǒng)功率范圍一般在十幾千瓦到幾十千瓦,只通過一級匯流箱實(shí)現(xiàn).組串式MPPT(Grouped MPPT,簡稱SMPPT)[4]光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)是單列組件串對應(yīng)一個(gè)逆變器實(shí)現(xiàn)MPPT及逆變并網(wǎng)控制,或是單列組件串對應(yīng)一個(gè)DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)MPPT控制,多列組件串共用一個(gè)逆變器.SMPPT光伏系統(tǒng)的單機(jī)容量一般在幾個(gè)千瓦,造價(jià)相對于CMPPT光伏系統(tǒng)提高.分布式MPPT(Distributed MPPT,簡稱DMPPT)光伏系統(tǒng)分為交流形式和直流形式,顯著特征是單塊光伏組件對應(yīng)一個(gè)逆變器或者M(jìn)PPT控制器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤,造價(jià)相對于前兩者明顯提高.交流分布式MPPT(簡稱AC DMPPT)光伏系統(tǒng)采用微逆變器實(shí)現(xiàn),由于單個(gè)光伏組件電壓一般較低,直接逆變升壓至240VAC需要變壓器實(shí)現(xiàn),且每個(gè)組件需要一個(gè)專門逆變電路和濾波器,所以AC DMPPT光伏系統(tǒng)成本較高、效率低且在交流母線上的諧波干擾比較嚴(yán)重.AC DMPPT光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢是安裝簡單且無直流高壓,由于本身采用變壓器結(jié)構(gòu),并網(wǎng)電流無直流分量,安全性好.直流分布式MPPT(簡稱DC DMPPT)光伏系統(tǒng)一般采用電源優(yōu)化器實(shí)現(xiàn),其主要優(yōu)點(diǎn)有:一是組網(wǎng)靈活,可以根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模靈活確定電源優(yōu)化器的串并聯(lián)數(shù)量[3];二是兼容CMPPT、SMPPT光伏系統(tǒng)的布局、布線方式,很容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行局部或者整體改造[5];三是電源優(yōu)化器的效率高[6],在提高組件輸出功率的同時(shí)而本身損耗很小.電源優(yōu)化器的輸入輸出電壓低,可以使用低阻抗的MOSFETs降低開關(guān)損耗、使用較高開關(guān)頻率減小電感電容體積,在保證低成本的前提下實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)換效率,現(xiàn)有的商業(yè)化產(chǎn)品中,加權(quán)效率已達(dá)到98.8%.

提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率,對提高資源利用效率、減小環(huán)境污染和提高光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性有重要意義.除氣候條件和發(fā)電設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率外,光伏系統(tǒng)發(fā)電效率主要會(huì)受到局部陰影和組件參數(shù)失配的影響,且無法避免.當(dāng)發(fā)生局部陰影時(shí),陰影組件由于有效輻照度變小使最大功率點(diǎn)電壓電流值變小,進(jìn)一步導(dǎo)致與其串聯(lián)或并聯(lián)的正常組件工作點(diǎn)偏離其最大功率點(diǎn)而使正常組件產(chǎn)生功率損失;由于生產(chǎn)工藝原因或老化速度的不一致,組件參數(shù)總會(huì)存在一定程度的不一致,組件參數(shù)失配也會(huì)因?yàn)榇?lián)或并聯(lián)組件的最大功率點(diǎn)不一致產(chǎn)生功率損失,不同的是組件參數(shù)失配最大功率點(diǎn)差別程度沒局部陰影時(shí)大,但其影響伴隨光伏系統(tǒng)工作的始終.不同架構(gòu)MPPT光伏系統(tǒng)由于自身特點(diǎn)不同,對由于最大功率點(diǎn)不一致產(chǎn)生輸出功率損失表現(xiàn)出的抑制能力不同,從而在發(fā)電效率上有明顯差別.針對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的研究,近年來已有一系列的相關(guān)研究成果發(fā)表:Ahmed Elasser等[1]針對兆瓦級光伏電站,分析環(huán)境因素(溫度和光照)及直流母線電壓對年發(fā)電量的影響;A Chouder等[2]分析組件參數(shù)失配造成的功率損失;Perry Tsao等[3]研究電源優(yōu)化器實(shí)現(xiàn)分布式MPPT架構(gòu)的特性,給出了計(jì)算串聯(lián)串的最大電壓、最大電流的通用方法,研究結(jié)果表明電源優(yōu)化器實(shí)現(xiàn)分布式MPPT有很好的組網(wǎng)靈活性;Shahab Poshtkouhi等[7]針對兩種參數(shù)的光伏組件,分析了理想DC-DC(效率100%)和實(shí)際DC-DC的分布式MPPT相對于集中式MPPT效率的提高情況.本文將從MPPT架構(gòu)出發(fā),在外部條件一致的情況下,比較研究不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率,特別是受局部陰影和組件參數(shù)失配影響的差別程度,為工程應(yīng)用采用何種MPPT架構(gòu)提供依據(jù).

2 影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的因素分析

2.1 光伏系統(tǒng)發(fā)電效率構(gòu)成因素

光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率受到一系列因素影響[1,2],詳細(xì)情況見圖1所示.

(1)輻照度:輻照度是決定光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的最核心指標(biāo),某個(gè)地區(qū)一年內(nèi)總的輻照度決定了光伏系統(tǒng)最大可能的發(fā)電量.

(2)系統(tǒng)安裝方式:系統(tǒng)是否采用太陽光跟蹤器,對光伏組件接收到的有效輻照度影響顯著.采用太陽光跟蹤器的光伏系統(tǒng)接收到的有效輻照度明顯高于固定安裝方式,而固定安裝時(shí)組件與水平面的角度以及朝向都將影響有效輻照度.

(3)環(huán)境溫度、風(fēng)速:光伏組件的最大輸出功率具有明顯的負(fù)溫度系數(shù),對于多晶硅、單晶硅組件,這個(gè)值約為-0.45%/℃,而薄膜組件的這一值約為-0.2%/℃.環(huán)境溫度和風(fēng)速,影響著光伏組件的工作溫度,進(jìn)而影響光伏系統(tǒng)發(fā)電量.

(4)光伏組件類型:光伏組件的材料在決定光伏系統(tǒng)發(fā)電效率方面扮演著重要角色.單晶硅和多晶硅材料的組件轉(zhuǎn)換效率較高,只需要更小的面積就可以達(dá)到與薄膜組件相同的輸出功率;薄膜組件則對散熱光有更好的吸收能力以及更小的溫度系數(shù).

(5)光伏組件陣列結(jié)構(gòu):陣列中串并聯(lián)的光伏組件工作點(diǎn)會(huì)互相影響:組件串聯(lián)會(huì)迫使工作電流一致,組件并聯(lián)會(huì)迫使端電壓一致.當(dāng)串并聯(lián)各組件的最大功率點(diǎn)不一致時(shí),系統(tǒng)會(huì)使得部分或全部組件的工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn),導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際輸出功率小于各組件最大功率之和.這種相差程度會(huì)隨著光伏組件串并聯(lián)規(guī)模變大而增大,也與串并聯(lián)各組件最大功率點(diǎn)相差的程度有關(guān).所以,光伏陣列中是否存在組件串并聯(lián)以及串并聯(lián)的規(guī)模,對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率影響明顯.

(6)MPPT算法有效性:MPPT算法有效性主要指最大功率點(diǎn)的跟蹤速度與跟蹤精度.跟蹤速度對應(yīng)系統(tǒng)偏離穩(wěn)定工作點(diǎn)的時(shí)間,跟蹤精度對應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作點(diǎn)與最大功率點(diǎn)的偏離程度.跟蹤速度變快會(huì)使MPPT過程中的動(dòng)態(tài)功率損失減小,跟蹤精度提高會(huì)使靜態(tài)功率損失減小.

(7)傳導(dǎo)損耗:傳導(dǎo)損耗是指傳輸線上產(chǎn)生的功率損失,包括直流傳導(dǎo)損耗和交流傳導(dǎo)損耗.大部分CMPPT光伏系統(tǒng)使用二極管作并聯(lián)組件串的隔離以防止電流倒灌,直流傳導(dǎo)損耗包括此二極管上產(chǎn)生的損耗.

(8)電能變換效率:電能變換效率主要包括DC-DC變換和DC-AC變換這兩部分的效率,DC-DC變換實(shí)現(xiàn)MPPT控制,DC-AC變換實(shí)現(xiàn)逆變和并網(wǎng)控制,一般情況下這兩個(gè)功能都是由逆變器完成.

上述因素中,輻照度和環(huán)境溫度、風(fēng)速直接決定于光伏系統(tǒng)安裝所在地的自然氣候條件;采用太陽光跟蹤器的其實(shí)質(zhì)是提高有輻照度,受到系統(tǒng)安裝場地大小、機(jī)械裝置的使用壽命及運(yùn)行維護(hù)成本限制,當(dāng)前絕大多數(shù)的光伏系統(tǒng)都采用固定安裝方式;由于薄膜組件對散熱光有更好的吸收能力,主要應(yīng)用于光伏建筑,地面、屋頂光伏系統(tǒng)受面積限制一般采用轉(zhuǎn)換效率更高的晶體硅材料組件;光伏組件陣列結(jié)構(gòu)、MPPT算法有效性、傳導(dǎo)損耗、電能變換效率等因素都與系統(tǒng)采用何種MPPT架構(gòu)有關(guān),接下來將重點(diǎn)研究光伏系統(tǒng)因MPPT架構(gòu)不同引起的發(fā)電效率差別.

2.2 因MPPT架構(gòu)不同影響發(fā)電效率因素分析

在影響光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的因素中,與MPPT架構(gòu)相關(guān)的因素包括:光伏組件陣列結(jié)構(gòu)、MPPT算法有效性、傳導(dǎo)損耗和電能變換效率,下面將逐個(gè)分析這些因素在不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)中,對發(fā)電效率的影響[1,2,4]:

(1)組件陣列結(jié)構(gòu):不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng),光伏陣列結(jié)構(gòu)不同.在DMPPT光伏系統(tǒng)中,組件之間沒有直接的串并聯(lián);在SMPPT光伏系統(tǒng)中,有組件串聯(lián)而無組件并聯(lián),功率等級一般只有幾個(gè)千瓦;在CMPPT光伏系統(tǒng)中,同時(shí)存在組件的串聯(lián)和并聯(lián),且規(guī)模遠(yuǎn)大于SMPPT光伏系統(tǒng),功率范圍覆蓋十幾千瓦～幾百千瓦.當(dāng)光伏陣列中各組件的最大功率點(diǎn)不一致時(shí),串并聯(lián)會(huì)迫使部分或全部組件的工作點(diǎn)偏離其最大功率點(diǎn),導(dǎo)致光伏系統(tǒng)發(fā)電效率下降.引起最大功率點(diǎn)不一致的因素有很多,從效果上來分大致可以歸納為兩類:一種如周圍建筑物、樹木或云層等對光伏陣列部分遮擋造成的局部陰影,使陣列中各組件接收到的有效輻照度明顯不一致,各組件最大功率點(diǎn)相差顯著,此類情況一般持續(xù)時(shí)間不長;另一種為光伏陣列的組件參數(shù)失配,各組件最大功率點(diǎn)相差不大,但其影響伴隨光伏系統(tǒng)工作的始終.

(2)MPPT算法有效性:隨著陣列中光伏組件串并聯(lián)規(guī)模變大和系統(tǒng)容量增加,輸出特性曲線愈發(fā)復(fù)雜,采用的傳感器容量變大而分辨率降低,最大功率點(diǎn)的跟蹤速度與精度都將會(huì)降低,由此引入的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率損失都將增加.研究結(jié)果表明[1],由于MPPT算法有效性的差別,相對于CMPPT系統(tǒng),SMPPT系統(tǒng)可以增加約1.2%的電量輸出,DMPPT系統(tǒng)可以增加約2%的電量輸出.

(3)傳導(dǎo)損耗:對于CMPPT、SMPPT、DC DMPPT光伏系統(tǒng),其交流傳導(dǎo)損耗相對于直流傳導(dǎo)損耗可以忽略.此三種系統(tǒng)直流傳導(dǎo)損耗的大小,在相同功率等級下,主要受直流母線電壓的影響.對于AC DMPPT,基本無直流傳導(dǎo)損耗,交流母線電壓相對于其他三種系統(tǒng)的直流母線電壓要低很多,所以AC DMPPT的傳導(dǎo)損耗會(huì)明顯大于其它三種系統(tǒng),差別程度與功率等級、交直流母線的導(dǎo)線線徑以及直流母線電壓有關(guān).

(4)電能變換效率:通過查閱Enphase、SMA、SolarEdge、山億、陽光電源、英偉力等主流逆變設(shè)備生產(chǎn)商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊發(fā)現(xiàn),現(xiàn)今市場逆變器主流產(chǎn)品的加權(quán)效率大致如下:集中式逆變器為97.7%,組串式逆變器為97%,微逆變器為96%,電源優(yōu)化器為98.8%.因此,4種不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的能量變換效率如下:CMPPT系統(tǒng):97.7%;SMPPT系統(tǒng):97%;AC DMPPT系統(tǒng):96%;DC DMPPT系統(tǒng):98.8%*97.7%=96.5%,或是98.8%* 97%=95.8%.

綜合上述分析,不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)因MPPT算法有效性、傳導(dǎo)損耗和能量變換效率三種因素導(dǎo)致的效率相差不明顯,約在1%以內(nèi),下面將重點(diǎn)研究不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)因組件陣列結(jié)構(gòu)不同而引起的發(fā)電效率差別.

3 光伏組件仿真模型建立與驗(yàn)證

單個(gè)太陽能電池輸出電壓約為0.6V左右,機(jī)械性能比較脆弱,通常把多個(gè)太陽能電池串聯(lián)起來封裝到一起形成光伏組件(photovoltaic modules),以提高輸出電壓和機(jī)械強(qiáng)度滿足應(yīng)用需求.通常還會(huì)在組件接線盒處并聯(lián)一定數(shù)量的旁路二極管,發(fā)生局部陰影時(shí)二極管可能會(huì)導(dǎo)通,以防止光照較弱的那部分太陽能電池作為其余部分的負(fù)載,產(chǎn)生局部過熱點(diǎn)造成組件的永久損壞.

圖2為某型號額定功率為260W的多晶硅光伏組件的結(jié)構(gòu)圖,其實(shí)驗(yàn)測試的I-V特性曲線隨光照、溫度變化情況見圖3,其主要參數(shù)見表1.

表1 某型號多晶硅光伏組件主要參數(shù)

根據(jù)圖2所示組件的結(jié)構(gòu),將該組件主要參數(shù)轉(zhuǎn)換為平均化的基于太陽能單體電池的參數(shù),見表2.

表2 平均化的太陽能單體電池主要參數(shù)

將表2參數(shù)代入式(1)[8],求解方程組可得到基于太陽能單體電池模型的主要參數(shù),見表3.

表3 太陽能電池模型參數(shù)

Iph(A)I0(A)nRs(Ω)Rsh(Ω)91267430×10-101022644×10-359739

(1)

以表3參數(shù)和圖2的光伏組件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),建立基于太陽能單體電池的組件仿真模型,選取合適的溫度參數(shù)進(jìn)行仿真分析,可得到光伏組件模型仿真I-V曲線,與實(shí)驗(yàn)測試的I-V曲線的對比情況見圖4.模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的電流誤差分析見表4、表5.從表4、表5可以看出,該模型仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差非常小,仿真模型能很好模擬該組件輸出電壓電流隨輻照度、溫度變化的情況.后續(xù)將以該光伏組件仿真模型為基礎(chǔ),建立不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的仿真模型,對局部陰影和組件參數(shù)失配對發(fā)電效率的影響進(jìn)行分析.

表4 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的電流誤差方均值統(tǒng)計(jì)分析(t=25℃)

輻照度(W/m2)1000800600400方均值00034000150001800029

表5 仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的電流誤差方均值統(tǒng)計(jì)分析(S=1000)

4 局部陰影和參數(shù)失配對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

4.1 不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的構(gòu)建

選用220塊額定功率為260W的多晶硅組件構(gòu)建光伏系統(tǒng),不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示:

(1)CMPPT光伏系統(tǒng):每列22塊組件串聯(lián),共10列通過匯流箱并聯(lián),由一個(gè)50kW級逆變器實(shí)現(xiàn)MPPT控制與并網(wǎng)控制.

(2)SMPPT光伏系統(tǒng):每列11塊組件串聯(lián)對應(yīng)一路MPPT,2路共用一個(gè)5kW級逆變器,共采用10個(gè)該型號逆變器.

(3)AC DMPPT光伏系統(tǒng):每塊組件對應(yīng)一個(gè)微逆變器實(shí)現(xiàn)MPPT控制與并網(wǎng)控制,共220個(gè)微逆變器.

(4)DC DMPPT光伏系統(tǒng):每塊組件對應(yīng)一個(gè)電源優(yōu)化器實(shí)現(xiàn)MPPT控制,共220個(gè)電源優(yōu)化器串并聯(lián)后共用一個(gè)50kW級光伏逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制.

4.2 局部陰影對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

光伏系統(tǒng)由豎直10列每列22塊組件的光伏陣列組成,所研究的陰影情形見圖6,其中圖6(a)、圖6(b)為單排組件陰影情形,圖6(c)、圖6(d)和圖6(e)為連片陰影情形.

假設(shè)陰影部分光照強(qiáng)度為正常光照的20%,DMPPT光伏系統(tǒng)相對于CMPPT光伏系統(tǒng)、SMPPT光伏系統(tǒng)輸出功率提高比例情況分別見圖7、圖8.

對比單排陰影情形分析結(jié)果可知:在單豎排陰影時(shí),DMPPT-CMPPT輸出功率提高比例與溫度、輻照度無關(guān),且明顯大于DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例,但DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例隨輻照度增大而增大;在單橫排陰影時(shí),DMPPT-CMPPT輸出功率提高比例與DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例大小無明顯差別,且趨勢一致,均隨輻照度增大而增大.

對比連片陰影情形分析結(jié)果可知:DMPPT-CMPPT輸出功率提高比例隨陰影顯著變化,而DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例隨陰影變化小;DMPPT-CMPPT、DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例受橫排陰影影響程度變化規(guī)律相似,開始隨陰影增大而慢慢增大,在陰影規(guī)模超過1/2串聯(lián)組件數(shù)量時(shí)慢慢減小.

表6 局部陰影時(shí)DMPPT光伏系統(tǒng)輸出功率平均增加量(%)

假設(shè)圖7、圖8所分析的各種陰影情形和溫度、輻照度情形出現(xiàn)概率相等,結(jié)合實(shí)際輸出功率,相應(yīng)的輸出功率平均提高比例見表6.從表6中可以看出,DMPPT-CMPPT輸出功率提高比例要高于DMPPT-SMPPT輸出功率提高比例,平均值是后者的3倍.

局部陰影只在系統(tǒng)工作的部分時(shí)間發(fā)生,當(dāng)年均發(fā)生陰影時(shí)間與工作時(shí)間比值范圍為0.2～0.5時(shí),將輸出功率提高比例平均值換算成年輸出電量提高情況,則DMPPT光伏系統(tǒng)年發(fā)電量因局部陰影原因相對于CMPPT光伏系統(tǒng)可以提高約3.54%～8.85%,相對于SMPPT光伏系統(tǒng)可以提高約1.18%～2.95%,具體值隨發(fā)生陰影時(shí)間比列增加而增加,且與陰影模式有關(guān).4.3 參數(shù)失配對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響考慮組件內(nèi)各串聯(lián)太陽能電池參數(shù)一致而整體在標(biāo)準(zhǔn)值基礎(chǔ)上隨機(jī)浮動(dòng)模擬實(shí)際組件參數(shù)失配情況,設(shè)定參數(shù)失配幅度分別限制在±5%、±10%、±20%以內(nèi),單次隨機(jī)產(chǎn)生失配參數(shù),相應(yīng)的不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)輸出功率對比情況見圖9.從圖9中可以看出,在參數(shù)失配幅度相同的前提下,DMPPT光伏系統(tǒng)輸出功率相對于CMPPT系統(tǒng)、SMPPT系統(tǒng)提高比例基本相同,且受溫度、輻照度影響不大,而隨失配幅度變大而增長迅速.

假設(shè)圖9所分析的各溫度、輻照度情況出現(xiàn)概率相等,以相同方式產(chǎn)生30次隨機(jī)失配參數(shù),DMPPT光伏系統(tǒng)輸出功率平均提高情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在組件參數(shù)失配幅度相同的情況下,DMPPT光伏系統(tǒng)相對于CMPPT、SMPPT系統(tǒng)的輸出功率提高比例無明顯區(qū)別,而隨參數(shù)失配幅度變大而迅速增長,當(dāng)參數(shù)失配幅度范圍為±5%～±20%時(shí),相應(yīng)的輸出功率提高比例范圍分別為1.11%～10.77%、1.46%～9.91%.由于參數(shù)失配對光伏系統(tǒng)輸出功率的影響伴隨系統(tǒng)工作的始終,年發(fā)電量提高比例等于輸出功率提高比例,故當(dāng)組件參數(shù)失配幅度范圍為±5%～±20%時(shí),DMPPT光伏系統(tǒng)年發(fā)電量因組件參數(shù)失配的原因,相對于CMPPT提高約1.11%～10.77%,相對于SMPPT系統(tǒng)提高約1.46%～9.91%,具體值與參數(shù)失配幅度有關(guān).

表7 參數(shù)失配時(shí)DMPPT光伏系統(tǒng)輸出功率增加量(%)

對比局部陰影和參數(shù)失配對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率的影響的分析結(jié)果可知:對于CMPPT光伏系統(tǒng),局部陰影對發(fā)電效率的影響大于組件參數(shù)失配對其的影響,除非組件參數(shù)失配達(dá)到比較嚴(yán)重的程度(如超過±10%);對于SMPPT光伏系統(tǒng),組件參數(shù)失配的影響趨向于大于局部陰影的影響,且差別會(huì)隨參數(shù)失配程度增加而迅速擴(kuò)大.

5 結(jié)論

通過上述分析可知,不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率受MPPT算法有效性、傳導(dǎo)損耗、能量變換效率等因素影響較小,由此引起的發(fā)電效率差別在1%以內(nèi);局部陰影和組件參數(shù)失配對不同MPPT架構(gòu)光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率影響則較為明顯.當(dāng)發(fā)生陰影時(shí)間與工作時(shí)間比為0.2～0.5時(shí),因局部陰影原因DMPPT光伏系統(tǒng)年發(fā)電量相對于CMPPT、SMPPT光伏系統(tǒng)提高范圍分別為3.54%～8.85%和1.18%～2.95%,具體值隨發(fā)生陰影時(shí)間比例增加而增加,且與陰影模式有關(guān);當(dāng)參數(shù)失配幅度范圍為±5%～±20%時(shí),因參數(shù)失配原因DMPPT光伏系統(tǒng)年發(fā)電量相對于CMPPT、SMPPT系統(tǒng)提高范圍分別為1.11%～10.77%和1.46%～9.91%.綜合上述兩項(xiàng),因局部陰影與組件參數(shù)失配的影響,在額定功率、組件排列及外部環(huán)境一致的條件下,DMPPT光伏系統(tǒng)相對于CMPPT光伏系統(tǒng)年均發(fā)電量約可提高4.65%～19.62%,相對于SMPPT光伏系統(tǒng)約可提高2.64%～12.86%,具體數(shù)值隨發(fā)生局部陰影時(shí)間比例、參數(shù)失配程度增大而變大,且與陰影模式有關(guān).

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寧 勇 男,1980年1月出生于湖南省邵東縣,湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院博士研究生.主要研究領(lǐng)域?yàn)?光伏MPPT技術(shù)、微電網(wǎng)建模與控制技術(shù)、電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用等.

E-mail:ningyiong@126.oom

戴瑜興 男,1956年1月出生于湖南省瀏陽市,工學(xué)博士,教授,博士生導(dǎo)師,主持完成科研課題30余項(xiàng),出版著作6部,發(fā)表論文100余篇,獲省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)9項(xiàng),中國電子學(xué)會(huì)高級會(huì)員,中國電子學(xué)會(huì)本科生教育委員會(huì)委員等.目前主要研究領(lǐng)域?yàn)?數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用、 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù).

E-mail:daiyx@hnu.cn

A Comparative Study of Central and Grouped and Distributed MPPT Architectures for Power Generation Efficiency of Photovoltaic System

NING Yong1,DAI Yu-xing2,1,WANG Zhen-dao3,PENG Zi-shun2,WANG Hong4

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China;2.ColllegeofPhysicsandElectronicInformationEngineering,WenzhouUniversity,Wenzhou,Zhejiang325035,China;3.SchoolofPhysicsandElectronics,HunanUniversity,Changsha,Hunan410082,China;4.CollegeofEngineeringandDesign,HunanNormalUniversity,Changsha,Hunan410081,China)

There are three different MPPT architectures in photovoltaic system:central,grouped and distributed architecture,and their power generation efficiencies are researched respectively.The simulation results show that the annual generation capacity of photovoltaic system with distributed MPPT architecture can be increased up to 4.65%～19.62% compared to system with central MPPT,and 2.64%～12.86% compared to system with grouped MPPT.The actual efficiency increasement varies with the proportion of time partial shading and the degree of module parameter mismatch,and is independent of specific shadow mode respectively

MPPT architectures;photovoltaic system;power generation efficiency;partial shading;module parameter mismatch

2015-01-15；

2015-05-08; 責(zé)任編輯:梅志強(qiáng)

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2014FJ3155)

TM615

A

0372-2112 (2016)09-2134-07

??學(xué)報(bào)URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.09.017