10001013_MPPT控制方式对于山地光伏电站发电量影响

浅析 MPPT 控制方式对复杂地形山地光伏电站 发电量的提升影响研究 邹敏 （中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司，北京，100040） 摘要：山地光伏的主要特点是地形复杂、起伏不平、子阵分散、朝向各异等，由此造成设计难度大， 建设成本高、发电效率减少。为改善山地光伏电站的不利条件，有效提升发电量，降低投资及后期运 维成本，本文探讨了针对光伏组件工作状态而确定的 MPPT 控制方式对光伏电站发电量提升的影响。 关键字:光伏发电系统、数学模型、最大功率点跟踪当前，我国山地光伏电站的规模逐渐扩大，山地 光伏的主要特点就是子阵分散、以及山高坡陡、地形起伏地形不连续以及大小不一等。 ，为了改善山 地光伏电站的不利条件，有效地提升将发电量提高，并降低投资及后期运维成本将运维的成本以及投 资的成本降低，本文探讨了针对光伏组件工作状态而确定的 MPPT 控制方式对光伏电站发电量提升的 影响。 作者简介：邹敏，1974 年 11 月，女，硕士，高级经济师，主要从事能源建设投资管理，具有丰富的的境内外能源项目（水、火、风、 光及电网）规划发展、工程建设和投资管理经验，zoumin@cdt-reri.com 1 引言 光伏电站发电量的提升与损耗的降低始终是业界最为关注的核心问题。在电站的实际运行中，影 响发电量的因素众多，这其中既包括光照、温度、地形等自然环境因素，也涉及设备选型、系统设计、 方阵排布电站系统设计、调度运行维护等人为诸多因素。因此，如何最大化有效地提高电站的发电量， 实际上是一个需要考虑各种因素的综合问题，需要从系统层面进行考虑和改善。 尤其对位于崎岖山地与丘陵地带的于山地光伏电站，地势的起伏变化与限制导致组件的安装角度、 数量难以保持一致。 ，而且在不同的时间段内，会出现由于山体阴影、组件前后排与侧面导致的组件 光伏组件间出现阴影遮挡等情况。考虑到自然环境的不可控性与调度运行难干预的特点，电站系统自 身设计是不多的影响发电量的完全可控因素。对一个配置确定的山地光伏电站，在逆变器转换效率提 升有限的情况下，只有通过改变光伏组件的工作状态与 MPPT 的控制方式，才能进一步提升整个电 站的输出功率及发电量。其中，针对光伏组件工作状态而确定的 MPPT 控制方式则起着至关重要的 作用。 2 光伏组件失配与 MPPT 控制方式对系统输出功率的影响 组件的工作状态与自身特性及外部条件紧密联系，支架的安装与调整、组件的遮挡、组件的衰减 等均会造成组件实际运行状态的变化，并可能由此导致整站输出功率与发电量的损失。 图 1 光伏电池单二极管电路模型 （1）  1sviRaphdconutigemodlingms sshbrnegativoltedlingiIvibR 图 1 所示为常见的光伏电池单二极管电路模型，式（1）为其数学模型，该模型全面描述了其四 象限输出特性，其中光生电流 Iph，二极管饱和电流 Id，电池的开路电压及短路电流均为辐照度与温 度的函数。 因此，从组件的数学模型出发，可将上述各种影响组件工作状态的因素统一归结为对组件辐照度、 温度与自身特性参数的影响，从而可将对上述各种因素的分析统一归结为对一种影响因素的分析。结 合电站中的实际情况，以阴影遮挡作为对组件工作状态的影响因素进行分析是较为合适的。 图 2 光伏电池四象限输出特性曲线 图 2 所示为光伏电池的四象限输出特性曲线，通过对电流与电压极性的判断可知，只有当电池工 作在第一象限时为发电状态。因此，当外部温度、辐照度影响到电池的工作状态时，将会导致同一组 串内、不同组串间的串、并联失配，从而造成系统输出功率的损失，进而影响到发电量。 2.1 旁路二极管与组串的串联失配 对一块光伏组件，其所有的串联电池片通常均分为三组，每组会反并联一个旁路二极管。当其中 一组的部分或者全部组件出现遮挡、失效等问题后，该旁路二极管将视其他组件与被遮挡组件的工作 状态导通或关断。 图 3 旁路二极管的作用 如图 3 所示，将所有的电池片展开成一串，当组件中部分电池片被遮挡时，根据光伏电池输出特 性与辐照度的关系，其短路电流将随辐照度的下降成比例下降。由于同一串联支路电流相等，若无旁 路二极管存在，则组件中所有电池片输出电流皆受被遮挡电池片限制。当存在旁路二极管时，受遮挡 面积与辐照度影响，旁路二极管分支电压可能出现正偏并达到导通阀值，此时旁路二极管导通，遮挡 电池片按最大输出电流输出，其余电流经旁路二极管流过。 旁路二极管的存在将导致在不同遮挡与辐照度下存在导通与截止两种工作状态，改变整个组件的 输出特性曲线。从而造成在整个工作电压区间上，组件的输出特性出现多个功率峰值的特征。 图 4 受遮挡组件的输出特性曲线 将多块组件串联构成组串时，其输出特性曲线的获取与单块组件情况类似，因为可以将每个旁路 二极管所并联的电池片组看作基本的构成单元，一串组件和一块组件均可以看作是由这样的单元构成， 两者只在串联数量有所区别。 因此，旁路二极管的存在是导致组件与组串 P-V 曲线“多峰”产生的必要条件，当组串中所有 旁路二极管并联电池片支路的工作状态相同时，组串 P-V 曲线将不会产生“多峰” ；反之，组串 P-V 曲线将产生“多峰” 。 2.2MPPT 控制方式与组串的并联失配 在实际应用中，为了令光伏组件满足功率输出要求，除需要将组件串联外，还需要将多个组件进 行并联。当将不同输出特性的组串进行并联时，也同样会出现组串间的失配现象，称为并联失配。 (a) 组串级 MPPT 控制 (b) 非组串级 MPPT 控制 图 5 不同 MPPT 控制方式下的并联组串 由于多路组串的输出特性与具体的 MPPT 控制方式紧密相关，故以图 5 所示的不同 MPPT 方式 控制下的组串输出特性为例，说明并联失配导致组件功率损失的原理。 图 6 不同 MPPT 控制方式两路组串输出特性 Comment [稳稳1]: 这个仿真的条件是 遮挡部分的辐照值为标准辐照的 10%。这个前提条件设置太苛刻了， 一般电站阴影遮挡导致的辐照值降低 也就 60%-80%。按照我们的仿真，如 果遮挡辐照值取 10%，文中数据是差 不多的。如果遮挡辐照取 90%，发电 量损失占比只有 2%左右，两种控制 方式的差异仅在 0.2%左右。 图 6给出了 2路组串分别采用 2路 MPPT和 1路 MPPT控制时的输出特性与功率对比。可以看 到，当其中一路组串受到阴影遮挡后，此处为完全遮挡，即被遮挡组件基本失效，此时，该路组串的 开路电压相比正常组件会出现明显的差异，变得更低。 当采用 1路 MPPT进行控制时，意味着两路组串需要并联，不同输出特性的两串组件此时具有 相同的端口电压，可以看到，此时两路组串的 P-V特性呈现出多峰特点。若此时最大功率点的电压 大于其中被遮挡组件的开路电压，则会出现被遮挡组串完全失效的情况，从而造成比单纯串联失配更 大的功率损失。 当采用 2路 MPPT控制时，每路 MPPT只单独控制单路组串的最大功率跟踪，此时组串间无耦 合。被遮挡组串的串联失配只会导致自身的功率损失，但未被遮挡部分的剩余功率仍可被利用。 因此，对上述两种 MPPT控制方式而言，2 路组串/2 路 MPPT控制显然比 2路组串/1 路 MPPT 方式更能够降低由于组串的并联失配所导致的功率损失。 通过对组串的串、并联失配的分析，在组件出现失效、遮挡等情况导致工作状态发生变化时，整 个组串与阵列的输出特性曲线表现为多峰。采用传统的单路 MPPT将难以保证组件工作在最大功率 点，即使组件工作在最大功率点，该控制方式仍会限制被遮挡组件的功率输出，造成阵列整体的功率 损失。而组串级 MPPT（每路组串独立 MPPT）则可以对不同组串进行独立跟踪，MPPT 渗透率 100%， 充分发挥各自的输出功率，避免由于组串耦合导致的功率损失。 3不同 MPPT控制方式下组件功率损失仿真与实例分析 为了对比不同 MPPT控制方式对组件功率损失的影响，对 2路组串分别采用 1路 MPPT和 2路 MPPT两种方式进行对比，计算不同 MPPT控制方式下的功率损失占比。 图 7不规则遮挡下组串功率损失占比 图 7所示为电站实际运行中经常遇到的不规则遮挡情况下的组件工作状态。由于部分组串遮挡造 成该组串内组件的工作状态不一致，从而产生串联失配。当采用 1路 MPPT控制方式时，该两路组 串由于各自的工作状态差异会进一步导致并联失配的产生。可以看到，无论采用纵向排列还是横向排 列，2 路 MPPT控制方式都可以获取更小的功率损失，这意味着采用更精细的 MPPT控制方式将可以 保证组件工作状态不一致时可以输出更大的功率。 Comment [稳稳2]: 我们做了不同方案 的仿真，每路组串独立 MPPT由于跟 踪更精细，避免了一定的并联失配， 与两路组串一 MPPT相比可以提升一 定的发电量。但是应该是 1%之内。 如果实际电站运行发电量差异这么大， 是否有其他原因？ 以某实际电站测试为例，该电站海拔 2080m~2360m，为山地丘陵地形，年均日照时数 2370h，年 均总辐射值 6462.9MJ/m2，年均利用小时 1400.79h。 对比光伏方阵位于该电站第三期，共 40MWp，分为三个集电线。其中， 1号集电线共有 8个方 阵，每个方阵包含 34台非组串级 MPPT控制组串式逆变器； 3号集电线有 8个方阵，每个方阵包含 34台组串级 MPPT控制组串式逆变器。 集电线内各方阵接入 1.6MWp光伏组件，接入配置一致。各方阵采用的光伏组件均为隆基 LR6- 72-340M组件，各组串采用 20块光伏组件串联，组件规格参数及串联配置一致。根据该电厂三期 2018年 1月及 2月发电量日报数据整理，得到表 1。 表 1 某电站现场组串式逆变器不同 MPPT控制方阵发电量对比 对比单元 数据 1号集电线 (非组串级 MPPT) 3号集电线 （组串级 MPPT） 1月发电量（MWh） 1823.08 1878.80 2月发电量（MWh） 1787.80 1879.08 1月和 2月总发电量（MWh） 3610.88 3757.88 光伏方阵数量（个） 8.00 8.00 单位方阵发电量（MWh） 451.36 469.74 单位方阵对比值（百分比） 100.00% 104.07% 发电量提升 - 4.07% 从表 1可见，1 号/3 号集电线单位方阵发电量分别为 451.36MWh、469.74MWh；以 1号集电线 （采用非组串级 MPPT控制逆变器）单位方阵发电量为基准，则 3号集电线（采用组串级 MPPT控 制逆变器）的单位方阵发电量比其提升了 4.07%。 。 4 结论 通过对不同工况下组件工作状态的分析，光伏组件内部的旁路二极管是导致组件与组串出现串联 失配的必要条件.，当由于遮挡等因素导致组串中所有旁路二极管并联电池片组的工作状态不同时， 组串将产生串联并联失配，表现为 P-V曲线的多峰特征； 对多路组串并联阵列，由于部分组串内部的串联失配导致所有并联组串输出特性存在明显差异， 当所有组串统一进行 MPPT控制时，整体阵列的输出特性也会出现分段特征，即组串的并联失配， 表现为 P-V曲线的多峰。 若采用多路组串 1路 MPPT的控制方式， 组件的串联失配与并联失配所导致的输出特性的多峰会加大 MPPT控制的难度，一方面会导致 全局最大功率点的搜索失败，从而导致阵列的输出功率损失增加；另一方面，即使 MPPT可以搜索 到全局最大功率点，但多路组串的并联耦合仍会导致被遮挡组串的功率无法发挥最大输出能力。 而从并联失配产生原因分析，采用组串级 MPPT控制方式（每路组串独立 MPPT控制） ，可实现 组串间的控制解耦，避免并联失配导致的功率损失，保证各组串尽可能地工作在各自的最大功率点， 输出最大的功率。仿真计算和实际电站测试数据均表明，在山地与丘陵等地形起伏地区的对于地形复 杂的山地光伏电站，采用组串级 MPPT控制方式可以比其他多路组串 1路 MPPT的控制方式帮助电 站获取更大的系统发电量。 但是如果要实现组件间的控制解耦，避免串联失配导致的功率损失，需要实现组件级 MPPT控 制方式，这。可以作为后续进一步研究重点和方向。 参考文献 [1] 光伏电池建模及MPPT 控制策略[J]. 杨永恒,周克亮. 电工技术学报. 2011(S1)：229-234 。 [2] 光伏阵列最大功率跟踪变论域模糊控制[J]. 任海鹏,郭鑫,杨彧,李洁. 电工技术学报. 2013(08)：13-19. 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