智能優(yōu)化器應(yīng)用解決方案初探

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)總院 ■ 唐秋文 吳月儀 紀(jì)承承

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 智能優(yōu)化器原理

智能優(yōu)化器本質(zhì)上是由嵌入式芯片控制的帶無線/有線通信功能的DC-DC變換器，采用先進(jìn)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)搜索算法，對(duì)光伏組件的輸出功率進(jìn)行采樣，尋找合適的電壓、電流點(diǎn)，使傳輸?shù)墓β蔬_(dá)到最優(yōu)[1]。智能優(yōu)化器可以監(jiān)控并優(yōu)化每塊光伏組件的電能，即使陣列中任意一塊光伏組件出現(xiàn)失配問題，其他光伏組件仍然能輸出最大功率，每塊光伏組件將獨(dú)立工作在最大功率點(diǎn)上，因而能夠補(bǔ)償因失配問題而產(chǎn)生的發(fā)電量損失，從而將組件與組件的失配損失降低為0%。

1.2 智能優(yōu)化器應(yīng)用場(chǎng)景

光伏組件智能優(yōu)化器的使用可以減小因陰影遮擋、組件失配、組件積灰不均勻等原因造成的功率損失[2]。本文主要研究在各種失配場(chǎng)景下智能優(yōu)化器對(duì)減少功率損失的作用。

1.3 智能優(yōu)化器市場(chǎng)發(fā)展情況

從技術(shù)層面上而言，光伏組件智能優(yōu)化器已經(jīng)較為成熟，以色列的SolarEdge公司、美國(guó)的Tigo公司、中國(guó)的康威特吉(Convertergy)公司都有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品和解決方案；一些大型的光伏組件廠商如天合、阿特斯、晶澳等也推出集成了光伏組件智能優(yōu)化器的智能組件產(chǎn)品。目前，限制光伏組件智能優(yōu)化器大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸在于其成本，與近幾年光伏組件成本的快速下降相比，智能優(yōu)化器的成本下降太慢，其在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)成本中所占的百分比不降反升。本文研究了智能優(yōu)化器成本提高和發(fā)電量增加之間的關(guān)系。

2 智能優(yōu)化器實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)一選用一個(gè)位于GCL張家港工廠廠房屋頂?shù)? MW光伏電站，該電站于2015年底并網(wǎng)，已投運(yùn)2年。通過對(duì)該電站部分組件加裝智能優(yōu)化器，對(duì)比不同條件下智能優(yōu)化器對(duì)發(fā)電量的影響。

2.1.1 測(cè)試說明

從某組串逆變器對(duì)應(yīng)的串中選取4串光伏組串用于對(duì)比測(cè)試，其中2串安裝智能優(yōu)化器，另外2串未安裝智能優(yōu)化器。所選取的4串光伏組串都單獨(dú)安裝直流電表用于記錄每串的直流發(fā)電量。歸一化組串的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)后再對(duì)比發(fā)電量差異，得出安裝智能優(yōu)化器的光伏組串的發(fā)電增益。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 運(yùn)營(yíng)2年的光伏電站加裝智能優(yōu)化器后的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1.2 測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試的目的是驗(yàn)證在光伏電站里安裝智能優(yōu)化器后的發(fā)電增益。張家港光伏電站運(yùn)行了2年，歸一化后發(fā)電增益為0.04%，可以看出使用智能優(yōu)化器后，電站的發(fā)電量有所提升，但幅度非常小。

發(fā)電量增益較小的主要原因有：1)參與測(cè)試的電站場(chǎng)址空曠，沒有樹木、建筑等不規(guī)則遮擋，因不規(guī)則陰影產(chǎn)生的組件串聯(lián)失配比例較??；2)參與測(cè)試的電站相對(duì)較新，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示同一串中的組件間差異很小，因組件自身參數(shù)不匹配產(chǎn)生的組件串聯(lián)失配比例較小。

2.2 實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二選用已投運(yùn)7年的國(guó)能電站，該電站是GCL的一個(gè)屋頂電站，于2009年底并網(wǎng)，通過加裝部分智能優(yōu)化器測(cè)試模塊估算潛在的電力生產(chǎn)改進(jìn)。

2.2.1 測(cè)試說明

在一個(gè)500 kW逆變單元的1個(gè)組串(22塊組件)上全部加裝智能優(yōu)化器測(cè)試模塊，測(cè)量該組串每塊組件的電壓、電流，把該組串的總電壓作為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓；給另外107個(gè)組串每串都加裝1個(gè)智能優(yōu)化器測(cè)試模塊，測(cè)每串的電流，將每串的電流和標(biāo)準(zhǔn)電壓相乘，得出每串的功率。

2.2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

以電流最大的組串功率為基準(zhǔn)，其他組串功率與最大功率間差值的36%(此數(shù)值由美國(guó)國(guó)家再生能源實(shí)驗(yàn)室對(duì)分布在全球26個(gè)不同國(guó)家的542個(gè)電站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得出)[3]為可優(yōu)化提高功率。經(jīng)測(cè)試計(jì)算，組串可優(yōu)化的功率比例最少為6.34%，最多為10.69%，系統(tǒng)平均可提高功率比例為8.35%。

本次測(cè)試功率提高比例是通過檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)理論計(jì)算得出，提高的百分比和實(shí)際會(huì)有差異，同時(shí)由于本電站建成時(shí)間較長(zhǎng)，所以組件間的失配較大。

2.3 實(shí)驗(yàn)三

實(shí)驗(yàn)三選用的廠房屋頂電站與實(shí)驗(yàn)一相同。本實(shí)驗(yàn)主要研究電站有部分陰影遮擋后加裝智能優(yōu)化器對(duì)發(fā)電量的影響。

2.3.1 測(cè)試說明

從同一組串逆變器中選4串進(jìn)行測(cè)試。其中2 串安裝智能優(yōu)化器，另外2 串安裝監(jiān)控器；所有4串都單獨(dú)安裝直流電表用來記錄每串的發(fā)電量。本測(cè)試分別進(jìn)行兩種陰影遮擋：

1)陰影遮擋一：選取4串光伏組串(其中2串安裝智能優(yōu)化器，另外2 串不安裝智能優(yōu)化器)，在每串22塊組件中的其中2塊加1/3單位組件面積的陰影，如圖1所示。

2)陰影遮擋二：選取2串光伏組串(1串安裝智能優(yōu)化器，另外1 串不安裝智能優(yōu)化器)，在每串22塊組件中的其中4塊加1/10單位組件面積的陰影，如圖2所示。

圖1 陰影遮擋一的情況

圖2 陰影遮擋二的情況

對(duì)比安裝了智能優(yōu)化器與未安裝智能優(yōu)化器的組串在不同陰影遮擋條件下的發(fā)電差異，由于未裝智能優(yōu)化器前不同組串的發(fā)電有差異，最終的數(shù)據(jù)做歸一化處理后，得出安裝智能優(yōu)化器的組串的發(fā)電增益，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 陰影遮擋一情況下光伏電站加裝智能優(yōu)化器后的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 陰影遮擋二情況下光伏電站加裝智能優(yōu)化器后的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3.2 測(cè)試結(jié)果分析

1)陰影遮擋一情況下，歸一化后的優(yōu)化增益為4.83%。分析原因?yàn)椋赫趽跤|發(fā)了組件二極管的旁路，不加裝智能優(yōu)化器的組串僅被遮擋的2塊組件受陰影影響，故智能優(yōu)化器增益受限。

2)陰影遮擋二情況下，歸一化后的優(yōu)化增益為17.07%。分析原因?yàn)椋?個(gè)組件被遮擋后，電流減小，由于未觸發(fā)組件二極管的旁路，導(dǎo)致整串組件電流降低，功率下降，故智能優(yōu)化器增益顯著。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 說明

此實(shí)驗(yàn)意在對(duì)比組件失配的光伏系統(tǒng)中安裝智能優(yōu)化器和不安裝智能優(yōu)化器的經(jīng)濟(jì)分析。

3.2 集中式光伏電站智能優(yōu)化器配置和發(fā)電量提升比例的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 增加智能優(yōu)化器的成本分析

以1 MW系統(tǒng)作為計(jì)算模型，實(shí)際安裝320 Wp組件3120塊，裝機(jī)容量為998.4 kW。目前使用智能優(yōu)化器的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比常規(guī)系統(tǒng)成本每W增加1.138元。

3.2.2 成本提高和發(fā)電量增加的投資收益分析(以蘇州為例)

蘇州地區(qū)最佳傾角的峰值日照時(shí)間為1448.5 h，1 MW集中式電站全部使用智能優(yōu)化器，系統(tǒng)成本將增加1.138元/W。經(jīng)測(cè)算，使用智能優(yōu)化器后系統(tǒng)發(fā)電量若能增加到17%，則電站投資收益水平能保持原有水平，測(cè)算分析如表4所示。

表4 集中式光伏電站投資收益測(cè)算分析

3.2.3 單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加的成本和發(fā)電量的關(guān)系(以蘇州為例)

經(jīng)測(cè)算，使用智能優(yōu)化器后的系統(tǒng)發(fā)電量和單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加的成本若能達(dá)到表5中的關(guān)系，則電站投資收益水平能保持原有水平。

表5 發(fā)電量與單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加成本的關(guān)系

3.3 分布式光伏電站智能優(yōu)化器配置和發(fā)電量提升比例的經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 增加智能優(yōu)化器成本的分析

以33 kW單元作為計(jì)算模型，實(shí)際安裝270 Wp組件120件，裝機(jī)容量為32.4 kW，使用智能優(yōu)化器單元的設(shè)計(jì)比常規(guī)單元成本每W增加1.524元。

3.3.2 成本提高和發(fā)電量增加的投資收益分析(以蘇州為例)

蘇州地區(qū)最佳傾角的峰值日照時(shí)間為1448.5 h，33 kW組串式逆變器光伏電站全部使用智能優(yōu)化器，系統(tǒng)成本將增加1.524元/W。經(jīng)測(cè)算，使用智能優(yōu)化器后系統(tǒng)發(fā)電量若能增加到22.7%，則電站投資收益水平能保持原有水平，測(cè)算分析如表6所示。

表6 分布式電站投資收益測(cè)算分析

3.3.3 單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加的成本和發(fā)電量的關(guān)系(以蘇州為例)

經(jīng)測(cè)算，使用智能優(yōu)化器后系統(tǒng)發(fā)電量和單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加的成本若能達(dá)到表7中的關(guān)系，則電站投資收益水平能保持原有水平。

表7 發(fā)電量與單個(gè)智能優(yōu)化器及配套增加成本的關(guān)系

4 結(jié)論

1)由于組串中個(gè)別組件參數(shù)不匹配造成的整串功率下降，安裝智能優(yōu)化器可以起到一定作用，使個(gè)別低功率組件不影響整串的其他組件功率。從實(shí)驗(yàn)一可得出，對(duì)于較新的電站，組件間失配比例較小，同時(shí)不存在不規(guī)則遮擋的電站，智能優(yōu)化器的優(yōu)勢(shì)很難發(fā)揮。

2)對(duì)于較早建設(shè)的電站，由于組件衰減的不一致，使組件間的參數(shù)有較大差異，智能優(yōu)化器提高的功率空間較高。如實(shí)驗(yàn)二的測(cè)試電站，但此數(shù)據(jù)是測(cè)量估算的，所以提高比例還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3)對(duì)于一些組件有固定遮擋的系統(tǒng)，當(dāng)遮擋比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，智能優(yōu)化器的功率提升優(yōu)勢(shì)將會(huì)很明顯，提升的比例和遮擋面積、遮擋位置、輻照度及組件漏電流等有關(guān)，具體關(guān)系還需進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)分析，如實(shí)驗(yàn)三的測(cè)試電站。

4)通過經(jīng)濟(jì)分析，在電站投資收益水平不變的情況下，按目前智能優(yōu)化器的價(jià)格，發(fā)電量需提高約17%～22%才能實(shí)現(xiàn)，顯然期望值過高。由此反推，只有智能優(yōu)化器及配套產(chǎn)品的成本下降，才能實(shí)現(xiàn)光伏電站既定的電站收益水平。

[1] 高志揚(yáng). 光伏系統(tǒng)功率智能優(yōu)化器的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽大學(xué), 2016.

[2] 李善壽. 陰影條件下光伏系統(tǒng)的失配分析與優(yōu)化控制研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2016.

[3] Hanson A J, Deline C A. Partial-Shading Assessment of Photovoltaic Installations Via Module-Level Monitoring[R].NREL/CP-5J00-63765, 2015-02.