光伏電站中電纜壓降對最大功率點跟蹤系統(tǒng)的影響分析

萬心一，孫紅雨，韓 斌

(1.中國能建集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065；3.中國兵器工業(yè)第203研究所，陜西 西安710065)

光伏電站中電纜壓降對最大功率點跟蹤系統(tǒng)的影響分析

萬心一1，孫紅雨2△，韓 斌3

(1.中國能建集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065；3.中國兵器工業(yè)第203研究所，陜西 西安710065)

目前光伏發(fā)電已成為我國發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分之一，其中最大功率點跟蹤(MPPT)作為提高整個光伏發(fā)電站效率的核心技術尤顯重要。本文根據(jù)光伏發(fā)電站的系統(tǒng)結構，基于Matlab/Simulink平臺搭建仿真模型，結果表明電纜壓降對光伏發(fā)電站最大功率點跟蹤系統(tǒng)有影響。因此，可以通過調整直流電纜等效內阻提高MPPT的工作效率，從而使整個光伏電站的效率也得到進一步提高。

光伏電站；電纜壓降；MPDT

能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的基礎，更是國家發(fā)展和安全的重要命脈。光伏發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，已成為發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分［1-3］。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)使太陽能的大規(guī)模利用成為可能，也因此成為研究的熱點［4］，其中最大功率點跟蹤(MPPT)控制以及并網(wǎng)逆變器控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵控制技術。光伏發(fā)電系統(tǒng)成本普遍較高，因此需要充分利用光伏電池最大發(fā)電效能，這就使得MPPT技術成為光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中不可缺少的控制策略，其中文獻［5-9］也提出了不同的最大功率點跟蹤(MPPT)控制方法及改進措施。

1 最大功率點跟蹤系統(tǒng)分析

并網(wǎng)光伏發(fā)電站主要由光伏組件、匯流箱、直流柜、并網(wǎng)逆變及箱式變電站組成，其結構圖如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電站結構示意圖

太陽光照射在半導體表面，半導體內部產(chǎn)生感應電動勢稱為光生伏特效應。目前最典型的太陽能電池數(shù)學模型如圖2所示。

圖2 光伏電池等效電路圖

其基本工作原理為：當光照強度和環(huán)境溫度保持不變時，因為假設光伏電池的工作狀態(tài)發(fā)生變化，造成的結果是光生電流IL卻保持不變，所以此時可以把該元件等效為一個恒流源。光伏電池的兩端連接負載后，負載中便有光生電流流過，并在負載的兩端產(chǎn)生端電壓，作用在光伏電池的PN結上，便立即產(chǎn)生一個暗電流Id，該電流的方向和光生電流的方向相反。除此之外，由于光伏材料本身的電阻率以及光伏電池板前后表面電極電勢差對光伏電池的影響，當工作電流流過光伏電池板時必定會給電池板內部帶來一定的串聯(lián)損耗，我們在這里引入串聯(lián)電阻RS。串聯(lián)電阻越大，系統(tǒng)中線路的損耗越大，光伏電池的輸出效率也就越低。

分析光伏電池等效電路圖不難得出光伏電池的工作電流為：

式中：I為光伏電池的輸出工作電流；IL為光生電流；IO為反向飽和電流；V為輸出電壓；T為絕對溫度(K)；q是單位電荷，其值為1.6×10-19C；K是玻耳茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K；A為二極管曲線因子，其值處在1-2之間。通常情況下上式中的（V+RSI）/ Rsh項遠小于光伏電池輸出電流，所以一般情況下是可以忽略的，故可以得到簡化式如下：

系統(tǒng)的輸出功率P是輸出電壓U和輸出電流I的函數(shù)，其表達式為P=UI，系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流的U-I關系可以通過式（2）表示，最大功率點功率Pmp=Ump×Imp，其中Ump和Imp分別為光伏曲線對應的最大功率點電壓Um和最大功率點電流Im。其Ump-Imp曲線如圖3所示。

圖3 光伏電池組件的U-I曲線

2 電纜壓降對最大功率點跟蹤的影響

若干電池組件串聯(lián)成為一個電池組串，相同數(shù)量組件構成的電池組串通過電纜并聯(lián)接至匯流箱,若干匯流箱并聯(lián)后通過電纜接至直流柜母排，經(jīng)二次匯流后接入逆變器輸入側。此時逆變器實現(xiàn)的最大功率點跟蹤實際上是各支路電池組串在直流母排處的等效PV特性，即MPPT是在一種“偽跟蹤”狀態(tài)下，未能實現(xiàn)真正的最大功率點跟蹤，那么光伏發(fā)電站系統(tǒng)效率必將隨之降低。

由于電纜自身存在的等效內阻r，使得電池組串至直流母排的開路電壓存在一定程度的降低，即電池組串本身的PV曲線特性經(jīng)過一段電纜的輸送后因內阻r的存在而發(fā)生了變化。

以某實際工程為例（兩個12路匯流箱進入同一個MPPT時），直流電纜長度及壓降見表1，線纜的最大壓降為2.75%，最小壓降為0.33%。

表1 直流電纜長度及壓降

3 仿真

為了驗證上述光伏發(fā)電站的理論分析，結合Matlab/Simulink平臺對電池組串進行了MPPT的數(shù)學模型搭建，并結合實際電站特性對光伏電池組件的最大功率點跟蹤做了仿真研究。

以單個電池組件的電氣參數(shù)為例，其開路電壓為37.62V，最大功率點電壓為30.36V，短路電流為8.88A，最大功率點電流為8.4A，則將20個電池組件進行串聯(lián)連接形成一個電池組串，則一個電池組串的開路電壓Uoc1為752.4V，最大功率點電壓Ump1為607.2V。以直流部分總壓降2.5%為例，接入直流母排開路電壓Uoc2為733.6V，最大功率點電壓Ump2為592V。

圖4 不同開路電壓下MPPT仿真結果

圖4中曲線Ⅰ和曲線Ⅱ分別為經(jīng)電纜壓降為2.5%的電池組件P-U曲線，曲線Ⅲ為二者接入直流母排后的等效實際跟蹤P-U曲線。為進一步研究上述MPPT效果，結合仿真結果可以看出，曲線Ⅰ中的最大功率點A處PA＝5121W，曲線Ⅱ中的最大功率點B處PB＝4992W，曲線Ⅲ中的最大功率點C處PC＝10102W，計算可得PA+PB-PC＝11W，以100MWp光伏電站運行期25年為例，該直流側電纜壓降對最大功率點跟蹤所造成的電能損失約為8×105kWh。

5 結論

本文根據(jù)光伏發(fā)電站的系統(tǒng)結構，通過理論分析、搭建Matlab/Simulink仿真模型，得出電纜因其等效內阻r產(chǎn)生的電壓降落影響最大功率點跟蹤系統(tǒng)的效率，即MPPT未能實現(xiàn)真正的最大功率點跟蹤。實際工程中各直流支路的電纜因其長度不等而存在不同的等效內阻，使得輸入MPPT的每回線路的壓降存在差異，此差異性會直接影響最大功率點跟蹤的準確度，降低了整個光伏發(fā)電站的發(fā)電效率。

在設計工作中可以通過改變電纜的長度及截面使每回支路的等效電阻相等，使得MPPT工作在每個支路的最大功率點，光伏發(fā)電站效率也將隨之得到提高。

［1］ 劉邦銀，段善旭，康勇.高能效直流模塊式光伏發(fā)電系統(tǒng)性能評估［J］.太陽能學報，2008，29(9)：46-52.

［2］ 廖志凌，阮新波.光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略［J］.中國電機工程學報，2009，29(21)：46-52.

［3］ 趙爭鳴，雷一，賀凡波等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(12)：101-107.

［4］ 趙爭鳴，劉建政.孫曉瑛等.太陽能光伏發(fā)電及其應用［M］.北京：科學出版社.2005：109-111.

［5］ 熊遠生，俞市，徐建明.固定電壓法結合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中應用［J］.電力自動化設備，2009，29(6)：85-88.

［6］ 栗秋華，周林，劉強等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真［J］.電力自動化設備，2008，28(7)：21-24.

［7］ 溫嘉斌，劉密富.光伏系統(tǒng)最大功率點追蹤方法的改進［J］.電力自動化設備，2009.29(6)：81-84.

表2 全年采暖每平方米建筑冬季采暖運行費用表

4 結論與建議

1）KR75-1502空化熱能機輸入功率為10.28kW,輸出功率為9.85kW,其效率可達95.8%，因無國家標準，參考燃氣采暖熱水爐的效率必須滿足84%，可見空化器效率滿足國家標準要求；

2）KR75-1502空化熱能機可以滿足200～250m2辦公室采暖，150m2住宅采暖，200m2商業(yè)設施的采暖；

3）與各種供暖設備的運行成本比較得到：燃煤28元/m2；燃油45元/m2；天然氣16元/m2；空化器30元/m2；電加熱37元/m2；雖然燃煤運行成本低于空化器，但其并不包括備用鍋爐，人工及場地等費用的統(tǒng)計，只是對燃料成本進行計算，天然氣的成本也只是對燃料價格進行核算；

4）為進一步降低空化器的運行成本，可以采用夜間低谷電力蓄熱技術，其運行成本可以降低至平段成本的1/2～1/3。

參考文獻：

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版，2006.

［2］ 張兆順，崔桂香.流體力學［M］.北京：清華大學出版，2006.

［3］ 沈維道.工程熱力學［M］.北京：高等教育出版，2003.

［4］ 趙永良.空調制冷熱泵教學綜合實驗臺的研制［D］.中國電力教育，2009.

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：孫紅雨 (1982—),男,陜西西安人,碩士研究生，工程師。研究方向為新能源發(fā)電技術及電力系統(tǒng)自動化。TEL: 18066967156.E-mail:sunhongyu123@126.com）.