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大型光伏电站中直流线损对逆变器MPPT精度的影响

`清洁能源网   2012 年 06 月 26 日 15:31   来源:清洁能源网

  导语:太阳能是储量最丰富的能源,而且无污染,是可以持续利用的能源,是解决环境问题和能源危机的必由之路,根据预测,太阳能发电在本世纪中叶会逐步成为能源结构的主体。

  太阳能是储量最丰富的能源,而且无污染,是可以持续利用的能源,是解决环境问题和能源危机的必由之路,根据预测,太阳能发电在本世纪中叶会逐步成为能源结构的主体。目前光伏发电是太阳能发电的主要形式,光伏产业近年来继风力发电后发展最快的行业,据不完全统计,目前全世界范围内光伏发电系统的装机容量已超过40GWp,而且在持续高速增长。我国光伏产业发展速度迅猛,2010年国内光伏发电新增装机容量达到520MWp,大大的超过了2009年的228MWp,而2011年国内光伏发电新增装机容量预计达到2GWp。在国家政策激励和成本不断下降的双重驱动下,可以预见在未来几年内中国光伏电站建设会迎来快速的增长。

  一、光伏发电系统的工作原理

  大型荒漠电站通常指的是容量在10MWp以上,电网接入等级为35kV以上的光伏电站。光伏发电系统的主要部件包括太阳电池组件、支架、汇流箱、逆变器、交直流配电系统、监测、计量和数据采集设备、电缆和电网接入系统以及其它硬件设备。当太阳光照射到太阳电池组件上,组件会产生“光生伏打效应”而将太阳光转化成直流电,直流电经逆变器变成交流电,再经由升压变、配电柜和主变并入电网,同时电站配备监控、保护及通讯设备。

  太阳电池组件和逆变器是光伏电站的“发电机组”,它们在设计和设备层面决定了电站的发电量和电能质量。简单得说,太阳电池组件是一个大面积的p-n结,会吸收太阳光产生空穴-电子对,在p-n结内建电场的作用下,空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区,电子和空穴在两端的聚集会产生电动势,接通电路后会形成电流,如图1所示,这就是太阳电池组件的工作原理。改变负载的大小,组件会有不同的工作状态,形成一条I-V曲线,而在P点时组件的输出功率最大,是最佳工作点,逆变器将直流电转变成交流电,同时另一个重要功能是保持组件工作在最佳工作点,即输出功率最大。

图1 太阳电池组件工作原理示意图

  二、逆变器的MPPT跟踪算法

  太阳电池组件阵列的输出特性具有非线性的特点,并且输出受太阳幅照度,环境温度和负载影响,只有在某一输出电压值时,光伏阵列的输出功率才能达到最大值,为了有效的利用太阳电池组件,对组件发电进行最大功率点的跟踪技术(MPPT)就显得尤为重要。

  MPPT的工作原理为:在一个规定的周期内,微处理器定期地主动调节PWM的占空比D,改变太阳能电池的输出电流,从而引起太阳能电池的输出电压变化,检测太阳能电池输出电压及输出电流,计算出太阳能电池阵列的输出功率,然后根据最大功率点跟踪策略寻找最大功率点的位置。

  MPPT跟踪算法主要有固定电压法、导纳增量法和扰动观察法,随着要求的提高,逆变器MPPT算法不断改进,而且对于不同形式的光伏发电系统,需采用不同的控制策略,以进一步提高逆变器的转换效率,增加发电量。

  三、直流线损对MPPT的影响

  由于太阳光能量密度和太阳电池组件效率都较低,因此导致光伏电站的面积很大,在中国西北地区,如果使用晶硅组件,一个容量为10MWp的光伏电站的占地面积要到300-400亩。如此大面积的组件,需要用大量的直流电缆汇流,直流线损不仅是不可能忽视的损耗,而且会对逆变器的MPPT精度造成影响。光伏方阵由太阳电池组件经串联、并联组成,先由几个到几十个数量不等的太阳能电池组件串联起来,接入汇流箱,然后再接入逆变器。由于光伏方阵面积大,不同组件串到逆变器的距离不同,直流电缆的线损就不一样,而目前常用单台逆变器仅有一个MPPT控制算法,则逆变器对应的所有组件串工作点一致,而由于线损的差异,很多组件串的实际工作点会偏离最优工作点,导致输出功率损失。下面通过分析计算来研究直流线损对MPPT精度的影响。

  大型荒漠电站的布局设计通常以1MWp为一个单元,当使用多晶硅组件时,如果每块组件的标称功率为230Wp,组件的I-V曲线如图2所示,目前大型光伏并网逆变器的MPPT电压范围通常为400V-800V,根据组件的开路电压和最佳工作点电压,考虑电站地区环境温度的影响,一般可选取20块组件组成一串接入汇流箱,然后经过汇流箱后接入逆变器,1MWp方阵共需218串,即4360块组件,共需14个16路的汇流箱,占地面积约为30亩,根据工程经验需使用约22公里截面积为4mm2的直流电缆和2公里截面为70 mm2的直流电缆,则每个组件串平均连接约0.1km截面4mm2的直流电缆和0.14km截面70 mm2的直流电缆。

图2 230Wp晶硅组件I-V测试曲线

  现在考虑最极端的情况,两个组件串之间电缆用量的差别最大是电缆用量平均值的2倍,根据电缆手册可以查到4mm2的直流电缆的电阻是不超过4.61Ω/km,70 mm2的直流电缆的电阻是不超过0.268Ω/km。假设组件工作在标准条件下,即辐照度1000W/m2,组件温度:25℃,AM1.5,组件的工作电流为7.828A,则可计算得到电缆产生的压降是7.806V,组件串的实际工作电压与最优工作电压偏离7.806V,单块组件的实际工作电压与最优工作电压偏离0.39V,根据图1可以近似得到组件实际功率约为228.53W,比最大功率229.52W低了约0.4%,由以上计算可知电缆压降对组件工作电压影响范围很小,因此可近似为线性变化,则一个方阵中电缆压降引起MPPT偏差导致的功率损耗约为0.2%。而在标准条件下,直流电缆的线路损耗造成的功率损失可计算得到约为0.6%,考虑到实际光照情况,平均辐照强度小于1000W/m2,实际电流会小于标称电流,则线损也会降低,若辐照强度平均为600 W/m2,则线损约为0.4%,则对晶硅组件方阵,电缆引起的损耗总共约为0.6%,损耗较小。

图3 薄膜组件I-V测试曲线

  现在考虑使用薄膜组件的情况,薄膜的组件效率低,约为晶硅组件的一半,如图3所示,因此1MWp薄膜组件方阵面积约为1MWp晶硅组件方阵面积的2.5倍,电缆长度与方阵的周长近似成比例,根据项目经验,总共需要28个16路汇流箱,则考虑极端情况下两个组件串之间电缆用量的差别最大是0.15公里截面积为4mm2的直流电缆和0.21公里截面为70mm2的直流电缆,则电缆产生的压降是11.709V,另外由于薄膜组件的开路电压约为晶硅组件开路电压的2倍,可取10块组成一串,则单块组件的实际工作电压与最优工作电压偏离约1.17V,根据图3可近似得到组件实际功率约为52.63W,比最大功率53.294W低了约1.3%,由以上计算可知电缆压降对组件工作电压影响范围很小,因此可近似为线性变化,则一个方阵中电缆压降引的MPPT偏差导致的功率损耗约为0.7%,同理可得线路损耗约为0.3%,则对薄膜组件方阵,电缆引起的损耗总共约为1%,损耗较大。

  改善措施:首先汇流箱要放置在对应组件串的中心,减少电缆的用量,其次可以选用12路或8路的汇流箱,可以组件到汇流箱的电缆,进而减少不同组件串到汇流的电缆长度差异。由于汇流箱的数量增加,汇流箱到逆变器的电缆会增加,但是考虑电缆承载的电流会成比例变小,因此直流线损反而会降低。

  四、总结

  根据上面的分析计算,对于使用晶硅组件的光伏电站,直流电缆造成的MPPI偏差和线路损耗导致的功率损失较小,约为0.6%,光伏方阵的布局优化可以减小电站的占地面积,从而降低线损和MPPT偏差,提高系统效率和发电量,同时鉴于电缆引起的损耗较小,可以考虑2MWp一个单元设计方案;对于使用薄膜组件的光伏电站,直流电缆造成的MPPT偏差和线路损耗导致的功率损失较小,约为1%,损耗较大,因此光伏方阵的布局优化是设计的关键,而且光伏方阵单元的容量不宜超过1MWp,以免损耗加大,导致光伏电站的系统效率和发电量降低。另外成本允许的条件下,可以选用12路或者8路汇流箱,可以减少直流线损和提高MPPT跟踪精度,这对薄膜组件尤其重要。

> 关键词:大型光伏电站  直流线损  逆变器    




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