光伏系統(tǒng)損耗分析及效率優(yōu)化

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(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)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(chǔ)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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)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(jí)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)于一般的工程系統(tǒng)來說，需要建立工程應(yīng)用模型，對(duì)輸出特性進(jìn)行規(guī)劃。太陽能電池的產(chǎn)品組件中也會(huì)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(duì)于光伏系統(tǒng)具有重要的作用[2]。出于對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)，設(shè)定簡便，對(duì)于系統(tǒng)級(jí)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(huì)隨著外界變化而變化，溫度會(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)于一些輸入電壓和負(fù)載產(chǎn)生的波動(dòng)，裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能會(huì)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(chǔ)存的能量會(huì)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(dòng)態(tài)性能上都相對(duì)優(yōu)秀，也是目前逆變技術(shù)中主要采用的電路拓?fù)湫问?，具有更好的?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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)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(duì)輸出功率進(jìn)行管控，逆變器的電流也會(huì)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(dòng)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

3.結(jié)語

本次研究首先針對(duì)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(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。