淺析光伏功率優化器如何挽回90%的發電量損失

文中在組串式MPPT架構的基礎上,在單個光伏組件接入功率優化器,分析了使用優化器前和優化器后光伏組串的發電提升情況,當光伏陣列存在失配時,安裝有功率優化器的光伏實驗陣列可提高發電量,并根據失配比例的不同,發電量增益也不同,根據我們以往相關實驗的數據,已經運行兩年左右的光伏電站,5°坡角的彩鋼瓦屋面組件順坡布置方式提升比例約在10%以上,經過實際數據測算,按目前優化器系統(含遠程監控系統)的市場價(≈0.5元/瓦),那么成本回收期應約為7-8年。
摩爾光伏     2017-3-19 21:10:37

單個光伏組件輸出往往不足以提供實際功率需求,因此必須以串聯并聯的方式構成光伏組件陣列來滿足設計要求。在選取光伏組件構成陣列時,通常會遇到由于串并聯的各個組件的電性參數不一致或者當組串發生部分或間歇性的遮蔽或老化等因素而導致串并聯后的輸出功率小于單個組件輸出功率之和的情況,專業術語稱之為“失配損失”,隨著光伏電站運行年限的增加,它將不同程度得影響整個電站的實際發電量。
 

  背景


  傳統的集中式光伏發電系統由于受到周邊建筑物、云朵位置、鄰近障礙物的大小等不可預見的因素,將對光伏組件陣列的功率造成難以估計的損失。因此,近年來國內外學者針對上述局部陰影產生的光伏陣列功率多峰問題進行了多種全局最大功率點(Global Maximum Power Point Tracking GMPPT)的研究探索取得了一些顯著成果,但仍然無法使每個光伏組件工作在各自的最大功率點(Maximum Power Point MPP)處,沒有徹底解決因局部陰影遮擋問題帶來的組串整體功率的損失。


  對于集中光伏發電系統,由于只有一個能量變換環節 DC- AC,控制時既要考慮跟蹤光伏板最大功率點,又要保證電網輸出電壓的幅值相位和正弦度,控制較為復雜逆變器多路輸入使用同一個MPPT ,不能識別串并聯支路光伏組件的差異,會大幅度降低發電效率,因此對于光伏組件參數的離散性或太陽輻射條件的差異造成的能量損失是無能為力的。

 

  同時,在串聯連接時若電流不匹配,會造成陣列工作在某一狀態下時,陣列內個別光伏組件處于反向偏置形成熱斑,在并聯聯接時若電壓不匹配,會造成組件陣列工作在某一狀態下時,陣列內形成環流熱斑和環流都會使串并聯聯接中的個別組件處于消耗功率的狀態,并可能損害組件壽命,特別當光伏組件陣列無法工作在均勻的光照下,產生的失配損失就更大,組件通過接線盒中旁通二極管的連接可將工作異常的電池串旁通,部分減少電池或組件之間的電流不匹配帶來的功率損失,但無法消除因組串中任意一塊低電流的電池組件所帶來的電流匹配問題。


  目前在組件端消除失配影響的解決方案之一為使用功率優化器( 即直流到直流轉化器) ,在包含多路串聯并行的電池組件,每一塊光伏組件連接一個具有獨立最大功率點跟蹤功能的功率優化器,且每個光伏組件的輸出接入至功率優化器模塊的輸入端。


  光伏優化器可根據串聯電路需要,將低電流轉化為高電流,最后將各功率優化器的輸出端串聯并接入匯流箱或逆變器。優化器監控并優化每塊光伏電池板的電能,即使陣列中任意一塊電池板出現失配問題時,其他電池板仍然能輸出最大功率,因而能夠補償因失配問題而產生的發電量損失。它具有最大能量采集轉換功能,數據采集功能和通訊功能,可快速、輕松地安裝在太陽能光伏系統中,可適合在不同規模的并網光伏發電系統中應用。


  光伏功率優化器的基本原理


  對于傳統的組串設計方案,當某一組串的其中一塊組件受到陰影遮擋,如工作電流降由原來的8A降低為7.5 A,由于是串聯電路,造成整串的電流降低,那么整串的功率輸出由原來的2400W降低為240Wp*(1-9%)*10=2184W,降低比例9%。


  當增加優化器后,被陰影遮擋的組件不再影響其他組件的發電,通過優化器內部的小變壓器DC-DC控制電路來改變組件的輸出電流,和其他組件的電流進行匹配(當然優化器需要監測同一路組串上其他組件的輸出電流,發現不一致后才能對自身的輸出電流大小的進行調節),該組件電流7.5A提升為8A,電壓由29V降低為27.18A,那么實際的功率輸出為240Wp*9+240Wp*(1-9%)=2377.5W,即實際損失功率0.9%。


  每塊光伏組件均接入功率優化器,每塊組件相對于光伏陣列來說是一個獨立的整體,它的輸出功率不會受到其他任何組件的影響,一直輸出在當前環境條件下的最大功率值。當然組件級優化器也可以設置為實時和逆變器配套,并進行通訊,按照逆變器的最佳功率點電壓進行分配。這樣連接每一塊組件的優化器的輸出就受到逆變器的影響,在保證電流一致的情況下,按逆變器的指令進行輸出,使其始終工作在效率最高的電壓點上。


  對于數據采集和監控,對于每一塊接了光伏優化器的光伏組件的實時電壓、電流、功率和直流電量均經數據采集器傳輸到監控服務器,參考圖1通訊結構。


  

圖1 通訊架構


  功率優化器軟件模擬


  功率優化器的發電提升和電站的實際情況有很大關系,如在平坦地面無障礙物遮擋的大型電站和分布式光伏電站兩者的提升比例是不相同的,剛投運的光伏電站和并網運行有一定年數的電站安裝功率優化器的提升比例也是不相同的,因此有必要通過實際的場景來進行實驗,積累數據進行組串分析,可為電站的優化運行提供有益的參考。


  下文通過PVsyst軟件來初步模擬使用Solaredge優化器后系統的發電提升情況,系統配置參考表1。光伏組件24片,容量5.4kW,使用SolarEdge優化器配套的組串逆變器,項目地參考南京。系統架構參考圖2.


  表1 系統配置


  組件選型組件數量容量組串逆變器功率優化器


  英利YL260P-29b24PCS5.4kW6kW-SE6000-SolarEdgeSolaredge-P300


  項目地組件方位角組件傾角組串并聯數組件串聯數


  南京(MN7.1氣象數據)0°30°211片一串


 

  圖2系統結構


  通過對該戶用系統進行建模和組件布置,可得到表2所示陰影遮擋系數。


  表2 陰影遮擋系數


  圖3為模擬結果,從結果可知,使用優化器后,同一串組件之間的電性能失配損失降低為0。

 

圖3 PVsyst模擬結果


  圖4為增加優化器后的全年光伏出力增益,在不同的輻照下,提升的比例是不同的。雖然目前PVsyst6.0版本對功率優化器系統的模擬的精確度尚存在一定不足,但是總體上從軟件模擬來看,發電量是有一定提升。


 

圖4 逆變器直流側輸入功率增益(單位:W)


  小結


  光伏陣列不管是集中式的MPPT架構或組串式的MPPT架構,由于陣列中的光伏組件特性不一致容易造成電流失配問題,導致系統的整體發電效率大幅下降。為解決此問題,行業內提出了分布式光伏功率優化器的陣列架構,為解決光伏陣列串聯組件的電流失配問題提供了新的途徑。


  文中在組串式MPPT架構的基礎上,在單個光伏組件接入功率優化器,分析了使用優化器前和優化器后光伏組串的發電提升情況,當光伏陣列存在失配時,安裝有功率優化器的光伏實驗陣列可提高發電量,并根據失配比例的不同,發電量增益也不同,根據我們以往相關實驗的數據,已經運行兩年左右的光伏電站,5°坡角的彩鋼瓦屋面組件順坡布置方式提升比例約在10%以上,經過實際數據測算,按目前優化器系統(含遠程監控系統)的市場價(≈0.5元/瓦),那么成本回收期應約為7-8年。


  參考文獻


  [1]王坤, 施火泉. 光伏系統分布式功率的優化[J]. 江南大學學報(自然科學版), 2012, 11(2):169-172.


  [2] 徐曉冰. 光伏跟蹤系統智能控制方法的研究[D]. 合肥工業大學, 2010.

 

 

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