光伏電站的效率優(yōu)化

摘 要：光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，可以充分利用取之不盡的太陽能資源，并且清潔環(huán)保，便于向偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。作為一種可再生能源，其具有廣闊的應(yīng)用前景。然而其成本相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電較高，這也是阻礙其發(fā)展的一大因素。隨著光伏電板的質(zhì)量和產(chǎn)量的提高，成本已有所下降，這使得逆變器的成本所占的比例變得重要起來。文章著重研究一種新的節(jié)約成本的運(yùn)行方案，以優(yōu)化光伏發(fā)電綜合效率、降低損耗從而提升經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；逆變器；轉(zhuǎn)換效率；光伏陣列

1 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為當(dāng)今世界所面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的重要舉措之一。太陽能發(fā)電作為一種新能源電力，容量和規(guī)模不斷擴(kuò)大。

光伏并網(wǎng)逆變器是光伏電站的重要組成部分，它負(fù)責(zé)管理整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電能輸出，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)太陽能光伏陣列的輸出直流功率曲線，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，最終將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并入電網(wǎng)。過去對(duì)并網(wǎng)光伏逆變器的效率研究主要集中于并網(wǎng)逆變器裝置本身，如從電路拓?fù)洹⒆畲蠊β矢櫵惴安⒕W(wǎng)控制策略上改進(jìn)[1][2]，在計(jì)算光伏系統(tǒng)發(fā)電量或短期預(yù)報(bào)時(shí)，并網(wǎng)光伏逆變器效率在一個(gè)固定區(qū)間取值，或是直接使用歐洲效率或是假定為小于1的常數(shù)[3]，認(rèn)為與氣象條件無關(guān)。而在實(shí)際情況中，并網(wǎng)光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率隨輸入功率等級(jí)影響很大，而光伏陣列輸出功率是逆變器輸入功率的決定因素。因此，逆變器間接受日照（或輻照度）變化的影響較大，具有時(shí)間性、季節(jié)性的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)逆變器額定功率劃分了七類輸入功率范圍，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定了不同輸入功率等級(jí)所占的權(quán)重系數(shù)，給出了代表歐洲地區(qū)日照情況的靜態(tài)效率計(jì)算公式，適用于評(píng)估總量效率，但無法反映動(dòng)態(tài)特征。此外，逆變器效率還隨著負(fù)載率的變化而變化。當(dāng)日照充足時(shí)，光伏陣列輸出功率較大，多帶負(fù)載。日照不足時(shí)，光伏陣列輸出功率較小，少帶負(fù)載，這都會(huì)引起逆變器效率的變化。

2 轉(zhuǎn)換效率的定義及計(jì)算方法

2.1 瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率？濁a：實(shí)時(shí)的并網(wǎng)逆變器輸出交流功率pac與輸入直流功率pdc（光伏陣列輸出直流功率）之比：

？濁a=pac（t）/pdc（t） （1）

2.2 次平均轉(zhuǎn)換效率？濁b：表示離散時(shí)刻情況下瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率樣本的平均值[5]。

（2）

2.3 能量轉(zhuǎn)換效率？濁c。又稱為靜態(tài)效率，表示一段時(shí)間內(nèi)并網(wǎng)逆變器輸出的交流電能Eac與輸入的直流電能Edc（功率的時(shí)間累積）的比值：

（3）

3 不同天氣條件下的模型

文章收集了夏季晴天的153個(gè)樣本和雨天142個(gè)樣本兩種常見天氣類型下，每隔5分鐘光伏逆變器的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)可以得到（1）晴天和雨天的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率都具有一個(gè)同樣的規(guī)律，即早晚效率低，中間時(shí)刻大；（2）晴天時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)換效率在早上線性上升。晚上線性下降，而在中間時(shí)刻近似保持在一個(gè)固定值，同時(shí)也是最大值；（3）雨天時(shí)，早晚瞬時(shí)效率低，中間時(shí)刻高，但是全天都有明顯的上下波動(dòng)，效率不如晴天穩(wěn)定。

在不同的季節(jié)時(shí)，平均轉(zhuǎn)換效率和能量轉(zhuǎn)換效率分別在80.8%～88.9%、93.5%～95.1%之間變化，夏季最高，冬季最低。

由以上分析可知，日照強(qiáng)度與季節(jié)、天氣等因素變化密切相關(guān)。不同季節(jié)的不同天氣情況所對(duì)應(yīng)的日照強(qiáng)度不同，這樣會(huì)造成光伏的輸出功率不同。因此可以取春夏秋冬中三個(gè)典型天氣：晴天、陰天、雨天共12個(gè)場景分析光伏陣列的出力情況。用Dij表示某季節(jié)某種典型天氣的天數(shù)（其中i表示季節(jié)，j表示天氣）。光伏板的輸出功率與日照強(qiáng)度直接相關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（4）

4 案例數(shù)學(xué)分析

由于在不同天氣條件和不同負(fù)載率的情況下，逆變器效率也不同。而無論在效率高點(diǎn)還是效率低點(diǎn)，其已經(jīng)投入的逆變器和變壓器的固有損耗是不變的。因此可以采用一種智能控制投切的方案來提升整體效率。假設(shè)光伏電站有n臺(tái)逆變器。當(dāng)光伏陣列在當(dāng)時(shí)的天氣情況下，所能發(fā)出的功率總和用a臺(tái)逆變器轉(zhuǎn)換就足夠的時(shí)候，把其余b臺(tái)（a+b=n）逆變器切除，這樣既可以充分利用這a臺(tái)工作的逆變器的功率最大點(diǎn)，又可以延長其余b臺(tái)逆變器的使用壽命，降低損耗。

以春季為例，這時(shí)光伏陣列功率方程為：

（5）

假設(shè)某光伏電站有4臺(tái)逆變器和4個(gè)光伏陣列，光伏陣列可發(fā)功率為2000W。根據(jù)（5）式，當(dāng)4個(gè)光伏陣列所發(fā)功率0<4P<2000時(shí)，即在t=5.83-6.52這段時(shí)間內(nèi)，此4個(gè)光伏陣列可以只接一臺(tái)逆變器。2000的前20%（即t=5.83-6.13）時(shí)，4板共發(fā)2000×20%=400，對(duì)應(yīng)于逆變器效率為η20%（負(fù)載率為20%時(shí)逆變器的效率）。在2000的后80%（即t=6.13-6.52）時(shí)，4板共發(fā)2000×80%=1600，對(duì)應(yīng)于逆變器效率為η80%（負(fù)載率為80%時(shí)逆變器的效率，此時(shí)效率為最大值）。則此時(shí)所能發(fā)的功率為：

（6）

若采用傳統(tǒng)的方式，即4個(gè)光伏陣列接4臺(tái)逆變器，則所發(fā)功率為：

（7）

由（6）（7）式可知，在此情況下采用優(yōu)化方案，能夠多發(fā)115W。如果此方案能夠推廣應(yīng)用，那一年積累下來多發(fā)出的電量將非常可觀。

5 結(jié)束語

文章針對(duì)光伏電站的天氣性、季節(jié)性、日變化性的特點(diǎn)，提出了一種新的優(yōu)化方案，該方案采用智能投切的方式，將無需投入的逆變器實(shí)時(shí)切掉，既能多發(fā)電量，還能延長設(shè)備使用壽命，減少損耗，使得光伏電站的優(yōu)勢更加突出，經(jīng)濟(jì)效益更加客觀。

參考文獻(xiàn)

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