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分布式MPPT技术电源优化器在光伏电站中的应用

来源: 编辑: 时间:2012-02-27【字号:

1.1  国内外太阳能光伏发电的应用形式

当今太阳能光伏发电的应用趋势是从应用产品的相对单一化到多元化和功能化,从小规模发电系统到大型光伏电站,从独立到并网发电系统,从单纯的应用性到与建筑等艺术结合,太阳能发电正处在从替代能源走向常规能源的过渡时期。

在光伏发电工程的设计和建设方面,目前国内处于起步阶段,各项目的发电效率普遍不高。在发电成本远远高于传统的发电形式的情况下,如何提高整个系统的效率,是降低发电成本的主要方式。目前理论研究较多的普遍停留在光伏组件、逆变器等设备的效率上,而忽略了环境因素带来的大量损耗。

随着太阳能并网光伏发电技术的不断发展与成熟,越来越多的企业将参与到光伏并网发电技术的应用与推广中来,光伏并网发电形式将逐步走进千家万户。在太阳能光伏发电系统的设计中,光伏阵列的排放形式和安装角度对光伏组件接收太阳辐照有很大的影响,从而影响到光伏系统的发电量。光伏组件的放置形式有固定式安装和向日跟踪装置式安装,其中跟踪安装方式包括单轴跟踪方式和双轴跟踪方式。与光伏阵列的放置相关的有两个角度参量:阵列安装倾角和阵列方位角。光伏阵列的倾角是光伏阵列平面与水平地面的夹角;光伏阵列方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角(向东偏设为负角度,向西偏设为正角度)。一般情况下,在北半球方阵朝向正南(即方位角为0°)时,光伏阵列的发电量是最大的。

太阳能光伏发电系统按建设地点不同可分为地面太阳能光伏电站和建筑结合的光伏电站。地面电站一般建设在偏远地区或废弃的地带,一般离用电地区比较远,需要通过高压电路远距离输送电力,给电网带来更多的压力,在欧洲中小型建筑和大型地面光伏电站同时经历了高速发展之后,现已将重点扶持政策放在中小型建筑光伏电站上;与建筑结合的光伏发电系统发的电除供建筑自身使用,还可将剩余的电量输送到公共电网上。与建筑结合的光伏系统技术优势明显,它不需要另占土地,可原地发电、原地使用,减少电力输送过程的费用和能耗。近年来我国的建筑结合光伏发电系统发展迅速。

太阳能光伏发电系统是由一个个光伏组件通过适当的串并联方式组成的,许多发电系统在光伏组件安装时没有考虑到一些未知的不匹配问题,使系统无法发挥应有的潜能。设计再好的光伏系统由于组件本身的参数因素都会出现失配的现象。有时即使考虑到不匹配问题,也可能会出现一些无法避免的因素,如电池板部分被遮挡、空中的云、附近物体的反射、光伏组件的倾斜角和方位角不同、光伏组件有灰尘、光伏组件温度不均等,此时组件的输出伏安特性曲线呈多阶梯状,相应的功率电压曲线含有多个局域最大峰值,会因阵列光伏组件的发电效率不同而引起组件的失配问题,导致系统发电效能降低。事实上,仅仅遮挡一小部分的光伏组件就会引起25%~50%的电能损失。即使同样的光伏组件、安装倾角和方位角等建成的光伏电站,失配问题都在所难免。在城市最具发展前途的光伏建筑一体化系统中,由于建筑的结构会影响光伏系统的安装,阴影、不同安装倾斜角和方位角等问题尤为突出,导致组件接收的太阳辐照量不同,产生组件之间的电流和电压失配,结果会导致光伏发电系统的发电效率大幅下降。一些商业建筑和住宅未能充分发挥其电能输出的潜力,在建筑比较密集的区域,或受光伏阵列外观造型的限制,有可能无法保证太阳光全天不被遮挡,从而产生光伏阵列的局部阴影问题,由于光伏组件不匹配导致能源输出不理想,致使一些光伏发电项目被放弃,存在固有空间利用和能源供应不足的问题。

1.2  失配问题对光伏发电系统的影响

光伏发电系统的安装运行虽然需要大量的前期投资,但是这与其它低风险投资相比,其投资回报相当客观,其突出的优点有节省可观的电费和极佳的投资回报率。

事实上,许多太阳能光伏发电系统的业主无法得知光伏组件或发电系统的不匹配的问题。很多人对于树木和烟囱等物体产生的阴影对系统输出功率造成的潜在破坏性影响知之甚少甚至毫不知情,而且他们也并不知道“光伏组件或者系统不匹配”这一隐蔽问题。出现PV系统不匹配的问题是由于电压与电流组合不匹配造成的,造成此问题原因有很多,例如局部遮蔽、飘动的云、附近物体的反射、各种不同的倾斜角和安装方向、表面污染、组件老化、以及太阳电池阵列上的温度变化,阴影或其他因素造成的光伏组件不匹配可能会导致阵列产生不平衡的电量损失。有时,不管光伏电站设计和安装得多好,现实环境的改变总能给系统的最大输出功率带来很大的障碍,无法保持在最大功率点运行。

在工业发达国家,并网光伏发电系统主要安装在建筑上,一个设计完美的光伏幕墙体现了现代技术和环境因素的结合,因此非常适合应用在现代城市的设计。在上世纪90年代早期,光伏发电广泛的经验使得其可以在建筑上应用。德国在1990年开始了1000屋顶光伏计划,部分阴影遮挡已经被证明是引起并网发电系统发电量降低的主要因素;1992年日本进行的现场测试计划也得到了相同的结果。那时阴影遮挡主要被考虑的问题是由于热斑引起的太阳电池毁坏,现在由于部分阴影遮挡引起的不成比例能量损失成了人们关注的焦点。不同的系统结构对部分遮挡光伏阵列发电量的影响已被广泛的讨论,即使在有阴影的系统中利用最好的光伏组件也仍然存在严重电量下降的问题。附近物体遮挡会使得被遮挡点太阳电池产生反偏压,不仅消耗自身和其他电池产生的电力,而且消耗电力的过程中会产生更多的热量,影响太阳电池和组件的性能和寿命。

为了防止阴影部分电池遭受破坏,旁路二极管开始应用在光伏组件中,80年代一些研究者致力于优化光伏组件设计,并且确定每个旁路二极管需要并联的最多数量串联电池来避免热板的形成。在实际的光伏系统中,当若干个光伏电池组件串联成光伏阵列时,需要在光伏电池组件两端并联二极管(旁路二极管),其中某组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时,在该二极管两端形成正向偏压,不至于阻碍其他正常组件发电,同时也保护光伏电池免受较高的正向偏压或发热而损坏。虽然旁路二极管是一个有用的副产品,然而旁路二极管在阴影条件下并不能完全改善组件的性能。

在Chaintreuil、Barruel、Le Pivert、Buttin和Merten所发表的“阴影对并网光伏系统的影响”文中提到,在串联组串方式中,只要2.6%的阴影就能造成16.7%的组串总电量损失。

图1-1  阴影遮挡影响分析

即使小部分的阴影遮挡将会造成很严重的、不成比例的能量损失,如下图为美国国家半导体实验室得出的阴影遮挡导致的功率损失。一些研究结果表明,阴影对光伏系统电压、电流影响很大且不成比例,当阴影遮盖面积超过1/2后光伏电池输出功率降到原来的1%。

图1-2  阴影遮挡影响分析结果

事实上,影响系统发电量的因素很多,包括组件内部电池的互联方式、组件定向、光伏组件之间的串并联问题以及逆变器的配置等。阴影导致的这种不成比例能量损失原因主要是跟组件和系统的组成结构有关。光伏组件通过多个太阳电池串并联而成,每个太阳电池串被称为一个“组列”,每个组列由一个旁路二极管来起到旁路导通保护,以免一个或多个电池被遮挡或损坏时,导致这些电池因过热而损坏。光伏阵列由光伏组件通过串并联方式构成,当光伏发电系统部分被遮挡时,未被遮挡部分电池产生的电流流经被遮挡部分电池的旁路二极管。当光伏阵列因阴影出现上述情况时,会产生一条具有多个峰值的V-P 特征曲线。逆变器有两个基本功能:一方面通过DC/AC转换将直流电转换成与电网同频和同相的交流电;另一方面跟踪太阳能光伏发电系统的最佳效率点。对于特定的光照辐射、温度和电池类型,太阳能光伏发电系统都有相应唯一的最佳电压和电流值,从而产生最大能量,如果出现阴影遮挡或其它情况导致系统中各组件之间电压和电流的失配,将导致发电系统的效率大幅降低。

在估算太阳能光伏发电系统的整体效能时,通常会假设使用的每块组件都具有相同的辐照量、温度和性能参数。然而许多情况下,部分遮蔽的效应、温度不一致与每块组件安装倾斜角的不同,会对组件电流和电压造成不小的影响,造成光伏组件之间的不匹配与系统效能降低,光伏发电系统最终的实际发电效能远不如原先的希望值。

阴影造成光伏发电系统功率损失有很多形式,取决于引起阴影的物体。有可能是季节性或者每天几个小时的阴影,造成明显难以察觉的功率波动;由于组件部分被遮挡引起的功率损失很难预测,因为这决定于以下几种变化因素:组件内部太阳电池的互相连接方式、组件安装方位角、阵列中组件的连接方式和逆变器的结构。

1.3  解决失配对光伏发电系统影响的方案

在太阳能光伏发电应用过程中,其中至关重要的一点就是光伏系统的设计和测试评估问题。一个光伏系统运行的稳定性、工作模式、工作时间、发电量和经济型等重要指标基本上都取决于最初的系统设计。对光伏发电系统测试评估一方面可以得到有用的反馈信息,另一方面可以客观综合评定系统设计的优劣,从而进一步改善系统和优化设计。

阴影、辐照度、温度以及其它因素造成的光伏组件不匹配会导致光伏系统发电的不均匀损耗。设计安装人员可通过一些安装技巧(如围绕阴影设计或根本不安装)解决光伏组件不匹配的问题,但将导致固定面积的能源输出降低。接线盒中的旁路二极管使整行电池和组件短路,理论

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