组件功率优化技术在110 kV百叟光伏电站的应用

引言

碳达峰和碳中和战略目标的提出,使得水光风储等多种模式的清洁能源迎来了更大的发展契机,但与传统的火力发电技术相比,新能源发电受自然环境影响较大,存在波动性和随机性,因此合理科学地降低自然环境的影响,提高发电设备的利用效率,对新能源发展具有重要意义。和众多的地面光伏电站一样,受电站建设地形、设计缺陷、倾斜角度等客观因素的影响,110kV百叟光伏电站的组件在功率输出上仍有提高的潜力,而原地块附近的竹林、树林等高大植被遮挡,影响了周边的辐照度,直接减少了植被附近的小部分光伏组串的发电生产,为组件功率优化技术在电站的应用提供了平台。

1原理

1.1光伏组件功率优化器原理

光伏组件输出是非线性的,其输出的直流电压和直流电流随着辐照度的变化而变化,在组件输出电压U和电流I的变化中,不同的变化环境条件,有对应的输出电压值,而当光伏组件输出电压值对应输出的功率最大时,对应点就是光伏组件的最大功率点,简称MPP[1]。光伏组件在运行生产中,要使得组件输出的效率达到最优,通过控制光伏组件一直在最大功率点工作,输出功率时刻也要达到最大,而采用一系列的控制方法,使得光伏组件输出功率最大,这种技术叫功率优化器（MPPT）。MPPT技术是通过对光伏组件的输出电压U的控制进行跟踪,采集组件的输出电压和输出电流,从而捕捉最大功率点,达到优化组件功率的目的。功率优化器主要由三大模块组成,分别是模拟量采集、算法控制、输出转换。模拟量采集的功能是实时采集光伏组件的输出电压U和电流I,然后把采集的模拟量传送至算法控制模块,经过算法计算输出控制信号,控制信号控制功率优化的输出转换模块,使得功率输出和光伏组件的内阻相匹配,从而达到组件输出功率最大化。

1.2恒电压法原理

恒电压法的原理是使光伏组件的输出电压保持在某一恒定值,经过算法计算得出的恒定值对应最大功率点,在组件工作时控制输出电压恒定。恒电压法适用于相对稳定的自然环境,110kV百叟光伏电站地处粤东地区,温度相对稳定,最大功率点捕捉稳定,并且考虑到生产成本,电站的MPPT采用多种控制方法中的恒电压法,如图1所示。在环境温度保持不变的情况下,当辐照度发生改变时,最大功率点所对应的U基本在一条直线上,即输出的电压U保持在恒定值上。而在不同温度环境的情况下,光伏组件最大输出功率随着温度的降低而增加,最大输出电压U也会增加,经过模拟量采集和算法计算,确定组件输出的最大功率点。

2组件功率优化技术应用前景

光伏电站占地较广,特别是地面光伏电站,组件的数量多且分散,在建设或运行生产的过程中,组件出现故障或线路断开时,监控后台一时难以判断出具体的组件位置,现场需投入人力、物力去排查组件,给发电生产带来了不便。无论是地面的灌草植物还是高大植被,对光伏组件的遮挡作用十分突出,和单块组件出现故障一样,由于监控后台反馈数据没有详尽到单块光伏组件,个别组件被遮挡或灵敏度下降,或是受角度影响时,需要人工巡检才能发现,不利于提高光伏发电的自动化水平。

组件功率优化技术在捕捉最大功率点的同时,实时反馈单块光伏组件的运行模拟量,包括组件的输出电压、输出电流、温度以及功率,使得后台监控的覆盖面延伸至单块组件,大大提高了现有光伏发电的自动化程度,为排查故障、开展巡查节约了时间和人力、物力,光伏组件功率优化技术在提高发电量和工作效率方面有着广阔的应用前景。

3组件功率优化在电站的实际应用

3.1应用区域选择

110kV百叟光伏电站现阶段容量为40MW于2018年投产运行,组件的结构及老化问题不明显,故障率也不高,故植被遮挡是影响功率输出的重要外因。通过观察分析辐照度强的时段,结合年发电的统计数据,受竹林和树林等高大植被遮挡影响的组串有92串,约占总光伏组件的3.5%。在电站遮挡情况最严重的05光伏区进行功率优化器技术的应用试验,选取了05区中毫无植被遮挡、地势平坦的05A3逆变器8个支路共160块光伏组件,每块组件的功率为365w,而遮挡严重、位置靠边的05A1逆变器也是8个支路共160块组件,在所选择的320块隆基光伏组件上都安装了恒电压控制型功率优化器。

3.2功率优化器安装运行

电站05区恒电压型功率优化器安装共分8个步骤,首先要在系统里搭建系统连接示意图,再给单个功率优化器编号,05区功率优化器的编号从001到320,在系统地图上定位。硬件部分包括通过串联方式把恒电压型功率优化器与隆基光伏组件连接,一个支路共20块隆基光伏组件,其中05A1逆变器的8个支路安装了编号001到160的功率优化器,05A3安装数量和05A1一样,编号为161到320,具体安装连接如图2所示。再安装数据汇总器和数据采集器,硬件部分完成。启动组网功能,连接软件部分,在计算机软件上设置数据云中心,选择连接05A1和05A3逆变器,通过远程监控单个组件的运行状况,实时记录每块组件的当前电气参数。

3.3运行数据收集统计和性能分析

实际应用对比法是分析运行数据的重要手段,横向对比05光伏区有高大植被遮挡的05A1逆变器与05光伏区3台运行稳定、状况良好的标准逆变器(05B1、05B2、05B3)的发电量,如表1所示,在05光伏区未应用安装功率优化器前的半年,即2020年2月一7月,有高大植被遮挡的05A1逆变器月平均发电量占05B1、05B2、05B3逆变器三者平均数的比例只有86.56%,可以看出高大植被遮挡对组件功率输出影响非常明显。在安装功率优化器之后的8个月,即2020年9月一2021年4月,有高大植被遮挡的05A1逆变器月平均发电量占05B1、05B2、05B3逆变器三者平均数的比例为93.88%,经过数据收集和计算,有遮挡05A1逆变器所在的160块组件,在安装功率优化器之后,提高的发电量约为7.32%,功率优化技术起到了关键作用。

图3为05A1的发电量与3台标准逆变器的平均发电量数据对比,该图更加直观地反映出,在安装组件功率优化器后,恒电压型功率优化器对05区被遮挡的光伏组件起到了提高发电量的效果。

为得到更加客观的应用采集数据,同时对比05光伏区无遮挡的05A3逆变器与05光伏区运行情况稳定的标准逆变器05B3的发电量,由表1可知,安装功率优化器之前半年时间里,无高大植被遮挡的05A3逆变器及其组件的月平均发电量占05B3逆变器的比例为104.16%。安装功率优化器之后的8个月,无遮挡05A3逆变器及其组件的月平均发电量占05B3逆变器的比例为110.37%,根据实际数据,提高的110kV百叟光伏电站05光伏区共计安装320块光伏组件功率优化器,而购置该批设备成本、安装、运行维护等费用共计约7万元 ,采用功率优化器技术,电能成本为0.7元/w。百叟光伏电站年利用小时数约为1070h,即1Mw组件每年发电量为107万kw·h。110kV百叟光伏电站有遮挡光伏组件安装功率优化器后可提升7.32%的发电量、度电收益为0.85元/(kw·h）,根据计算可推测出不同容量有遮挡光伏组件安装功率优化器的净收入明细。由表2可以看出,从经济效益的角度出发,短期收益与成本相差甚远,需要长时间的运行应用才会产生实际的净收益。

5结语

110kV百叟光伏电站在05光伏区的320块组件上安装了恒电压型功率优化器,并通过安装前后的运行数据横向对比、纵向数据参考以及应用成本计算得出,功率优化能提高组件的发电效率,增加发电量。其中有遮挡的光伏组件效果更加明显,无遮挡的组件在安装功率优化器后,发电量也有小幅度的提升,证明功率优化能减少自然环境对光伏组件发电的影响,但自然环境的波动性、随机性对光伏发电仍是决定性的,光伏发电技术进一步走向成熟,仍需不断攻关克难。

从短期收效来看,光伏组件功率优化的成本大大高于发电量的收益,短期大规模应用是划不来的。光伏电站若要大规模应用功率优化技术并创造出经济效益,必须要做长远规划。此外,组件应用功率优化器,在提高发电量的同时,能有效减少部分组件因长期被遮挡、发热而产生的火灾隐患。从光伏电站运行维护与区域安全的角度出发,光伏组件安装应用功率优化器,可以改善因电站设计缺陷或地形影响而造成的植被遮挡和角度不合理。此外,安装功率优化器的组件,可以监控组件的运行情况,与现有的通过监控支路、汇流箱、逆变器相比,能更有效地得到单块组件的运行参数与状况,方便运行维护,提高光伏电站自动化程度。