引言
碳達峰和碳中和戰(zhàn)略目標的提出,使得水光風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,因此合理科學地降低自然環(huán)境的影響,提高發(fā)電設備的利用效率,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,受電站建設地形、設計缺陷、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)化技術在電站的應用提供了平臺。
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,有對應的輸出電壓值,而當光伏組件輸出電壓值對應輸出的功率最大時,對應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,這種技術叫功率優(yōu)化器（MPPT）。MPPT技術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最大功率點,在組件工作時控制輸出電壓恒定。恒電壓法適用于相對穩(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,當輻照度發(fā)生改變時,最大功率點所對應的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)化技術應用前景
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)化技術在提高發(fā)電量和工作效率方面有著廣闊的應用前景。
3組件功率優(yōu)化在電站的實際應用
3.1應用區(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)運行,組件的結構及老化問題不明顯,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重的05光伏區(qū)進行功率優(yōu)化器技術的應用試驗,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365w,而遮擋嚴重、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,在計算機軟件上設置數(shù)據(jù)云中心,選擇連接05A1和05A3逆變器,通過遠程監(jiān)控單個組件的運行狀況,實時記錄每塊組件的當前電氣參數(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、狀況良好的標準逆變器(05B1、05B2、05B3)的發(fā)電量,如表1所示,在05光伏區(qū)未應用安裝功率優(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)化技術起到了關鍵作用。
圖3為05A1的發(fā)電量與3臺標準逆變器的平均發(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)定的標準逆變器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110kV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,電能成本為0.7元/w。百叟光伏電站年利用小時數(shù)約為1070h,即1Mw組件每年發(fā)電量為107萬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。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,需要長時間的運行應用才會產(chǎn)生實際的凈收益。
5結語
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行數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?、縱向數(shù)據(jù)參考以及應用成本計算得出,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)電技術進一步走向成熟,仍需不斷攻關克難。
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)模應用是劃不來的。光伏電站若要大規(guī)模應用功率優(yōu)化技術并創(chuàng)造出經(jīng)濟效益,必須要做長遠規(guī)劃。此外,組件應用功率優(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),光伏組件安裝應用功率優(yōu)化器,可以改善因電站設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。
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