引言

碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,使得水光風(fēng)儲(chǔ)等多種模式的清潔能源迎來了更大的發(fā)展契機(jī),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(dòng)性和隨機(jī)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(duì)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(jì)缺陷、傾斜角度等客觀因素的影響,110kV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(tái)。

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(duì)應(yīng)的輸出電壓值,而當(dāng)光伏組件輸出電壓值對(duì)應(yīng)輸出的功率最大時(shí),對(duì)應(yīng)點(diǎn)就是光伏組件的最大功率點(diǎn),簡(jiǎn)稱MPP[1]。光伏組件在運(yùn)行生產(chǎn)中,要使得組件輸出的效率達(dá)到最優(yōu),通過控制光伏組件一直在最大功率點(diǎn)工作,輸出功率時(shí)刻也要達(dá)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(duì)光伏組件的輸出電壓U的控制進(jìn)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(diǎn),達(dá)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(shí)時(shí)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(jì)算輸出控制信號(hào),控制信號(hào)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(dá)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(jì)算得出的恒定值對(duì)應(yīng)最大功率點(diǎn),在組件工作時(shí)控制輸出電壓恒定。恒電壓法適用于相對(duì)穩(wěn)定的自然環(huán)境,110kV百叟光伏電站地處粵東地區(qū),溫度相對(duì)穩(wěn)定,最大功率點(diǎn)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(shí),最大功率點(diǎn)所對(duì)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(huì)增加,經(jīng)過模擬量采集和算法計(jì)算,確定組件輸出的最大功率點(diǎn)。

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(yùn)行生產(chǎn)的過程中,組件出現(xiàn)故障或線路斷開時(shí),監(jiān)控后臺(tái)一時(shí)難以判斷出具體的組件位置,現(xiàn)場(chǎng)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(wú)論是地面的灌草植物還是高大植被,對(duì)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(tái)反饋數(shù)據(jù)沒有詳盡到單塊光伏組件,個(gè)別組件被遮擋或靈敏度下降,或是受角度影響時(shí),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(dòng)化水平。

組件功率優(yōu)化技術(shù)在捕捉最大功率點(diǎn)的同時(shí),實(shí)時(shí)反饋單塊光伏組件的運(yùn)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(tái)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(dòng)化程度,為排查故障、開展巡查節(jié)約了時(shí)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(shí)際應(yīng)用

3.1應(yīng)用區(qū)域選擇

110kV百叟光伏電站現(xiàn)階段容量為40MW于2018年投產(chǎn)運(yùn)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(qiáng)的時(shí)段,結(jié)合年發(fā)電的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行功率優(yōu)化器技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn),選取了05區(qū)中毫無(wú)植被遮擋、地勢(shì)平坦的05A3逆變器8個(gè)支路共160塊光伏組件,每塊組件的功率為365w,而遮擋嚴(yán)重、位置靠邊的05A1逆變器也是8個(gè)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(yùn)行

電站05區(qū)恒電壓型功率優(yōu)化器安裝共分8個(gè)步驟,首先要在系統(tǒng)里搭建系統(tǒng)連接示意圖,再給單個(gè)功率優(yōu)化器編號(hào),05區(qū)功率優(yōu)化器的編號(hào)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(gè)支路共20塊隆基光伏組件,其中05A1逆變器的8個(gè)支路安裝了編號(hào)001到160的功率優(yōu)化器,05A3安裝數(shù)量和05A1一樣,編號(hào)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(dòng)組網(wǎng)功能,連接軟件部分,在計(jì)算機(jī)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(gè)組件的運(yùn)行狀況,實(shí)時(shí)記錄每塊組件的當(dāng)前電氣參數(shù)。

3.3運(yùn)行數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計(jì)和性能分析

實(shí)際應(yīng)用對(duì)比法是分析運(yùn)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(tái)運(yùn)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)化器前的半年,即2020年2月一7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(duì)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(gè)月,即2020年9月一2021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(jì)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(tái)標(biāo)準(zhǔn)逆變器的平均發(fā)電量數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)比05光伏區(qū)無(wú)遮擋的05A3逆變器與05光伏區(qū)運(yùn)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(shí)間里,無(wú)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(gè)月,無(wú)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(shí)際數(shù)據(jù),提高的110kV百叟光伏電站05光伏區(qū)共計(jì)安裝320塊光伏組件功率優(yōu)化器,而購(gòu)置該批設(shè)備成本、安裝、運(yùn)行維護(hù)等費(fèi)用共計(jì)約7萬(wàn)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(shí)數(shù)約為1070h,即1Mw組件每年發(fā)電量為107萬(wàn)kw·h。110kV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(jì)算可推測(cè)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(jì)效益的角度出發(fā),短期收益與成本相差甚遠(yuǎn),需要長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行應(yīng)用才會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的凈收益。

5結(jié)語(yǔ)

110kV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(yùn)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(jì)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(wú)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(duì)光伏組件發(fā)電的影響,但自然環(huán)境的波動(dòng)性、隨機(jī)性對(duì)光伏發(fā)電仍是決定性的,光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)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(jì)效益,必須要做長(zhǎng)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(shí),能有效減少部分組件因長(zhǎng)期被遮擋、發(fā)熱而產(chǎn)生的火災(zāi)隱患。從光伏電站運(yùn)行維護(hù)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(jì)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(yùn)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(yùn)行參數(shù)與狀況,方便運(yùn)行維護(hù),提高光伏電站自動(dòng)化程度。