摘 要：隨著新能源的蓬勃發(fā)展和光伏發(fā)電技術(shù)的越發(fā)成熟，光伏組件的功率最大化有了廣泛的應(yīng)用空間和巨大的發(fā)展?jié)摿?。鑒于此，在110 kV百叟光伏電站組件上實際應(yīng)用功率優(yōu)化技術(shù)，采集數(shù)據(jù)，分析結(jié)果，為功率優(yōu)化技術(shù)在組串式光伏組件中的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;組件;功率優(yōu)化;應(yīng)用

0 引言

碳達峰和碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，使得水光風(fēng)儲等多種模式的清潔能源迎來了更大的發(fā)展契機，但與傳統(tǒng)的火力發(fā)電技術(shù)相比，新能源發(fā)電受自然環(huán)境影響較大，存在波動性和隨機性，因此合理科學(xué)地降低自然環(huán)境的影響，提高發(fā)電設(shè)備的利用效率，對新能源發(fā)展具有重要意義。和眾多的地面光伏電站一樣，受電站建設(shè)地形、設(shè)計缺陷、傾斜角度等客觀因素的影響，110 kV百叟光伏電站的組件在功率輸出上仍有提高的潛力，而原地塊附近的竹林、樹林等高大植被遮擋，影響了周邊的輻照度，直接減少了植被附近的小部分光伏組串的發(fā)電生產(chǎn)，為組件功率優(yōu)化技術(shù)在電站的應(yīng)用提供了平臺。

1 原理

1.1 ? ?光伏組件功率優(yōu)化器原理

光伏組件輸出是非線性的，其輸出的直流電壓和直流電流隨著輻照度的變化而變化，在組件輸出電壓U和電流I的變化中，不同的變化環(huán)境條件，有對應(yīng)的輸出電壓值，而當(dāng)光伏組件輸出電壓值對應(yīng)輸出的功率最大時，對應(yīng)點就是光伏組件的最大功率點，簡稱MPP[1]。光伏組件在運行生產(chǎn)中，要使得組件輸出的效率達到最優(yōu)，通過控制光伏組件一直在最大功率點工作，輸出功率時刻也要達到最大，而采用一系列的控制方法，使得光伏組件輸出功率最大，這種技術(shù)叫功率優(yōu)化器（MPPT）。MPPT技術(shù)是通過對光伏組件的輸出電壓U的控制進行跟蹤，采集組件的輸出電壓和輸出電流，從而捕捉最大功率點，達到優(yōu)化組件功率的目的。功率優(yōu)化器主要由三大模塊組成，分別是模擬量采集、算法控制、輸出轉(zhuǎn)換。模擬量采集的功能是實時采集光伏組件的輸出電壓U和電流I，然后把采集的模擬量傳送至算法控制模塊，經(jīng)過算法計算輸出控制信號，控制信號控制功率優(yōu)化的輸出轉(zhuǎn)換模塊，使得功率輸出和光伏組件的內(nèi)阻相匹配，從而達到組件輸出功率最大化。

1.2 ? ?恒電壓法原理

恒電壓法的原理是使光伏組件的輸出電壓保持在某一恒定值，經(jīng)過算法計算得出的恒定值對應(yīng)最大功率點，在組件工作時控制輸出電壓恒定[2]。恒電壓法適用于相對穩(wěn)定的自然環(huán)境，110 kV百叟光伏電站地處粵東地區(qū)，溫度相對穩(wěn)定，最大功率點捕捉穩(wěn)定，并且考慮到生產(chǎn)成本，電站的MPPT采用多種控制方法中的恒電壓法，如圖1所示。在環(huán)境溫度保持不變的情況下，當(dāng)輻照度發(fā)生改變時，最大功率點所對應(yīng)的U基本在一條直線上，即輸出的電壓U保持在恒定值上。而在不同溫度環(huán)境的情況下，光伏組件最大輸出功率隨著溫度的降低而增加，最大輸出電壓U也會增加，經(jīng)過模擬量采集和算法計算，確定組件輸出的最大功率點。

2 組件功率優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用前景

光伏電站占地較廣，特別是地面光伏電站，組件的數(shù)量多且分散，在建設(shè)或運行生產(chǎn)的過程中，組件出現(xiàn)故障或線路斷開時，監(jiān)控后臺一時難以判斷出具體的組件位置，現(xiàn)場需投入人力、物力去排查組件，給發(fā)電生產(chǎn)帶來了不便。無論是地面的灌草植物還是高大植被，對光伏組件的遮擋作用十分突出，和單塊組件出現(xiàn)故障一樣，由于監(jiān)控后臺反饋數(shù)據(jù)沒有詳盡到單塊光伏組件，個別組件被遮擋或靈敏度下降，或是受角度影響時，需要人工巡檢才能發(fā)現(xiàn)，不利于提高光伏發(fā)電的自動化水平。

組件功率優(yōu)化技術(shù)在捕捉最大功率點的同時，實時反饋單塊光伏組件的運行模擬量，包括組件的輸出電壓、輸出電流、溫度以及功率，使得后臺監(jiān)控的覆蓋面延伸至單塊組件，大大提高了現(xiàn)有光伏發(fā)電的自動化程度，為排查故障、開展巡查節(jié)約了時間和人力、物力，光伏組件功率優(yōu)化技術(shù)在提高發(fā)電量和工作效率方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 組件功率優(yōu)化在電站的實際應(yīng)用

3.1 ? ?應(yīng)用區(qū)域選擇

110 kV百叟光伏電站現(xiàn)階段容量為40 MW，于2018年投產(chǎn)運行，組件的結(jié)構(gòu)及老化問題不明顯，故障率也不高，故植被遮擋是影響功率輸出的重要外因。通過觀察分析輻照度強的時段，結(jié)合年發(fā)電的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，受竹林和樹林等高大植被遮擋影響的組串有92串，約占總光伏組件的3.5%。在電站遮擋情況最嚴(yán)重的05光伏區(qū)進行功率優(yōu)化器技術(shù)的應(yīng)用試驗，選取了05區(qū)中毫無植被遮擋、地勢平坦的05A3逆變器8個支路共160塊光伏組件，每塊組件的功率為365 W，而遮擋嚴(yán)重、位置靠邊的05A1逆變器也是8個支路共160塊組件，在所選擇的320塊隆基光伏組件上都安裝了恒電壓控制型功率優(yōu)化器。

3.2 ? ?功率優(yōu)化器安裝運行

電站05區(qū)恒電壓型功率優(yōu)化器安裝共分8個步驟，首先要在系統(tǒng)里搭建系統(tǒng)連接示意圖，再給單個功率優(yōu)化器編號，05區(qū)功率優(yōu)化器的編號從001到320，在系統(tǒng)地圖上定位。硬件部分包括通過串聯(lián)方式把恒電壓型功率優(yōu)化器與隆基光伏組件連接，一個支路共20塊隆基光伏組件，其中05A1逆變器的8個支路安裝了編號001到160的功率優(yōu)化器，05A3安裝數(shù)量和05A1一樣，編號為161到320，具體安裝連接如圖2所示。再安裝數(shù)據(jù)匯總器和數(shù)據(jù)采集器，硬件部分完成。啟動組網(wǎng)功能，連接軟件部分，在計算機軟件上設(shè)置數(shù)據(jù)云中心，選擇連接05A1和05A3逆變器，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控單個組件的運行狀況，實時記錄每塊組件的當(dāng)前電氣參數(shù)。

3.3 ? ?運行數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計和性能分析

實際應(yīng)用對比法是分析運行數(shù)據(jù)的重要手段，橫向?qū)Ρ?5光伏區(qū)有高大植被遮擋的05A1逆變器與05光伏區(qū)3臺運行穩(wěn)定、狀況良好的標(biāo)準(zhǔn)逆變器（05B1、05B2、05B3）的發(fā)電量，如表1所示，在05光伏區(qū)未應(yīng)用安裝功率優(yōu)化器之前的半年，即2020年2月—7月，有高大植被遮擋的05A1逆變器月平均發(fā)電量占05B1、05B2、05B3逆變器三者平均數(shù)的比例只有86.56%，可以看出高大植被遮擋對組件功率輸出影響非常明顯。在安裝功率優(yōu)化器之后的8個月，即2020年9月—2021年4月，有高大植被遮擋的05A1逆變器月平均發(fā)電量占05B1、05B2、05B3逆變器三者平均數(shù)的比例為93.88%，經(jīng)過數(shù)據(jù)收集和計算，有遮擋05A1逆變器所在的160塊組件，在安裝功率優(yōu)化器之后，提高的發(fā)電量約為7.32%，功率優(yōu)化技術(shù)起到了關(guān)鍵作用。

圖3為05A1的發(fā)電量與3臺標(biāo)準(zhǔn)逆變器的平均發(fā)電量數(shù)據(jù)對比，該圖更加直觀地反映出，在安裝組件功率優(yōu)化器后，恒電壓型功率優(yōu)化器對05區(qū)被遮擋的光伏組件起到了提高發(fā)電量的效果。

為得到更加客觀的應(yīng)用采集數(shù)據(jù)，同時對比05光伏區(qū)無遮擋的05A3逆變器與05光伏區(qū)運行情況穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)逆變器05B3的發(fā)電量，由表1可知，安裝功率優(yōu)化器之前半年時間里，無高大植被遮擋的05A3逆變器及其組件的月平均發(fā)電量占05B3逆變器的比例為104.16%。安裝功率優(yōu)化器之后的8個月，無遮擋05A3逆變器及其組件的月平均發(fā)電量占05B3逆變器的比例為110.37%，根據(jù)實際數(shù)據(jù)，提高的發(fā)電量約為6.21%。無遮擋05A3逆變器安裝功率優(yōu)化器之后，雖然沒有05A1輸出電量提高的比例高，但可以知道，功率優(yōu)化技術(shù)在毫無遮擋、輻照度良好的光伏組件上應(yīng)用，也能提高輸出功率，產(chǎn)生實際的經(jīng)濟效益。

而縱向?qū)Ρ?020年與2021年同月份的數(shù)據(jù)，表面上看05A1與05A3兩個逆變器在2021年所輸出的功率都要比2020年高，但由于不同年份的自然條件是變化的，具有波動性和偶然性，不同年份的輻照度和降水量也是變化的，因此在采集數(shù)據(jù)和分析性能時，只對組件安裝功率優(yōu)化器前后的發(fā)電量作橫向比較，而發(fā)電量的縱向?qū)Ρ戎蛔鳛閿?shù)據(jù)上的參考。

4 組件功率優(yōu)化器的經(jīng)濟效益

110 kV百叟光伏電站05光伏區(qū)共計安裝320塊光伏組件功率優(yōu)化器，而購置該批設(shè)備成本、安裝、運行維護等費用共計約7萬元，采用功率優(yōu)化器技術(shù)，電能成本為0.7元/W。百叟光伏電站年利用小時數(shù)約為1 070 h，即1 MW組件每年發(fā)電量為107萬kW·h。110 kV百叟光伏電站有遮擋光伏組件安裝功率優(yōu)化器后可提升7.32%的發(fā)電量、度電收益為0.85元/（kW·h），根據(jù)計算可推測出不同容量有遮擋光伏組件安裝功率優(yōu)化器的凈收入明細(xì)。由表2可以看出，從經(jīng)濟效益的角度出發(fā)，短期收益與成本相差甚遠(yuǎn)，需要長時間的運行應(yīng)用才會產(chǎn)生實際的凈收益。

5 結(jié)語

110 kV百叟光伏電站在05光伏區(qū)的320塊組件上安裝了恒電壓型功率優(yōu)化器，并通過安裝前后的運行數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?、縱向數(shù)據(jù)參考以及應(yīng)用成本計算得出，功率優(yōu)化能提高組件的發(fā)電效率，增加發(fā)電量。其中有遮擋的光伏組件效果更加明顯，無遮擋的組件在安裝功率優(yōu)化器后，發(fā)電量也有小幅度的提升，證明功率優(yōu)化能減少自然環(huán)境對光伏組件發(fā)電的影響，但自然環(huán)境的波動性、隨機性對光伏發(fā)電仍是決定性的，光伏發(fā)電技術(shù)進一步走向成熟，仍需不斷攻關(guān)克難。

從短期收效來看，光伏組件功率優(yōu)化的成本大大高于發(fā)電量的收益，短期大規(guī)模應(yīng)用是劃不來的。光伏電站若要大規(guī)模應(yīng)用功率優(yōu)化技術(shù)并創(chuàng)造出經(jīng)濟效益，必須要做長遠(yuǎn)規(guī)劃。此外，組件應(yīng)用功率優(yōu)化器，在提高發(fā)電量的同時，能有效減少部分組件因長期被遮擋、發(fā)熱而產(chǎn)生的火災(zāi)隱患。從光伏電站運行維護與區(qū)域安全的角度出發(fā)，光伏組件安裝應(yīng)用功率優(yōu)化器，可以改善因電站設(shè)計缺陷或地形影響而造成的植被遮擋和角度不合理。此外，安裝功率優(yōu)化器的組件，可以監(jiān)控組件的運行情況，與現(xiàn)有的通過監(jiān)控支路、匯流箱、逆變器相比，能更有效地得到單塊組件的運行參數(shù)與狀況，方便運行維護，提高光伏電站自動化程度。

[參考文獻]

[1] 崔巖，蔡炳煌，李大勇，等.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學(xué)報，2006，27（6）：535-539.

[2] 周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù)，2008，34（6）：1145-1154.

收稿日期：2021-08-30

作者簡介：李土欽（1992—），男，廣東吳川人，電氣助理工程師，研究方向：電站運維。