光伏電站的效率優化

摘 要：光伏發電與傳統的發電方式相比，可以充分利用取之不盡的太陽能資源，并且清潔環保，便于向偏遠地區供電。作為一種可再生能源，其具有廣闊的應用前景。然而其成本相對于傳統發電較高，這也是阻礙其發展的一大因素。隨著光伏電板的質量和產量的提高，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約成本的運行方案，以優化光伏發電綜合效率、降低損耗從而提升經濟效益。

關鍵詞：光伏發電；逆變器；轉換效率；光伏陣列

1 引言

能源危機和環境污染已經成為當今世界所面臨嚴峻挑戰。可再生能源的發展和應用是應對這一挑戰的重要舉措之一。太陽能發電作為一種新能源電力，容量和規模不斷擴大。

光伏并網逆變器是光伏電站的重要組成部分，它負責管理整個光伏并網系統的電能輸出，可動態調節太陽能光伏陣列的輸出直流功率曲線，實現最大功率點跟蹤控制，最終將光伏陣列輸出的直流電轉換為交流電并入電網。過去對并網光伏逆變器的效率研究主要集中于并網逆變器裝置本身，如從電路拓撲、最大功率跟蹤算法及并網控制策略上改進[1][2]，在計算光伏系統發電量或短期預報時，并網光伏逆變器效率在一個固定區間取值，或是直接使用歐洲效率或是假定為小于1的常數[3]，認為與氣象條件無關。而在實際情況中，并網光伏逆變器的轉換效率隨輸入功率等級影響很大，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，具有時間性、季節性的特點。文獻[4]根據逆變器額定功率劃分了七類輸入功率范圍，并采用統計學方法確定了不同輸入功率等級所占的權重系數，給出了代表歐洲地區日照情況的靜態效率計算公式，適用于評估總量效率，但無法反映動態特征。此外，逆變器效率還隨著負載率的變化而變化。當日照充足時，光伏陣列輸出功率較大，多帶負載。日照不足時，光伏陣列輸出功率較小，少帶負載，這都會引起逆變器效率的變化。

2 轉換效率的定義及計算方法

2.1 瞬時轉換效率？濁a：實時的并網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 次平均轉換效率？濁b：表示離散時刻情況下瞬時轉換效率樣本的平均值[5]。

（2）

2.3 能量轉換效率？濁c。又稱為靜態效率，表示一段時間內并網逆變器輸出的交流電能Eac與輸入的直流電能Edc（功率的時間累積）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個樣本和雨天142個樣本兩種常見天氣類型下，每隔5分鐘光伏逆變器的瞬時轉換效率數據。根據數據可以得到（1）晴天和雨天的瞬時轉換效率都具有一個同樣的規律，即早晚效率低，中間時刻大；（2）晴天時，瞬時轉換效率在早上線性上升。晚上線性下降，而在中間時刻近似保持在一個固定值，同時也是最大值；（3）雨天時，早晚瞬時效率低，中間時刻高，但是全天都有明顯的上下波動，效率不如晴天穩定。

在不同的季節時，平均轉換效率和能量轉換效率分別在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，日照強度與季節、天氣等因素變化密切相關。不同季節的不同天氣情況所對應的日照強度不同，這樣會造成光伏的輸出功率不同。因此可以取春夏秋冬中三個典型天氣：晴天、陰天、雨天共12個場景分析光伏陣列的出力情況。用Dij表示某季節某種典型天氣的天數（其中i表示季節，j表示天氣）。光伏板的輸出功率與日照強度直接相關，其數學表達式為：

（4）

4 案例數學分析

由于在不同天氣條件和不同負載率的情況下，逆變器效率也不同。而無論在效率高點還是效率低點，其已經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。假設光伏電站有n臺逆變器。當光伏陣列在當時的天氣情況下，所能發出的功率總和用a臺逆變器轉換就足夠的時候，把其余b臺（a+b=n）逆變器切除，這樣既可以充分利用這a臺工作的逆變器的功率最大點，又可以延長其余b臺逆變器的使用壽命，降低損耗。

以春季為例，這時光伏陣列功率方程為：

（5）

假設某光伏電站有4臺逆變器和4個光伏陣列，光伏陣列可發功率為2000W。根據（5）式，當4個光伏陣列所發功率0<4P<2000時，即在t=5.83-6.52這段時間內，此4個光伏陣列可以只接一臺逆變器。2000的前20%（即t=5.83-6.13）時，4板共發2000×20%=400，對應于逆變器效率為η20%（負載率為20%時逆變器的效率）。在2000的后80%（即t=6.13-6.52）時，4板共發2000×80%=1600，對應于逆變器效率為η80%（負載率為80%時逆變器的效率，此時效率為最大值）。則此時所能發的功率為：

（6）

若采用傳統的方式，即4個光伏陣列接4臺逆變器，則所發功率為：

（7）

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

5 結束語

文章針對光伏電站的天氣性、季節性、日變化性的特點，提出了一種新的優化方案，該方案采用智能投切的方式，將無需投入的逆變器實時切掉，既能多發電量，還能延長設備使用壽命，減少損耗，使得光伏電站的優勢更加突出，經濟效益更加客觀。

參考文獻

[1]馬幼捷，程德樹，陳嵐.光伏并網逆變器的分析與研究[J].電氣傳動，2009，39（4）：25-29.

[2]陳進美，陳巒.太陽能光伏發電最大功率點間接跟蹤算法研究[J].水電能源科學2010，28（1）：148-150，56.

[3]張金花.太陽能光伏發電系統容量計算分析[J].甘肅科技，2009，25（12）：57-60.

[4]李菊歡.關于光伏并網逆變器效率的探討[J].電子質量，2010（8）：64-65.

[5]馬幼捷，程德樹，陳嵐.光伏并網逆變器的分析與研究[J].電氣傳動，2009，39（4）：25-29.