光伏系統損耗分析及效率優化

華電電力科學研究院有限公司 李 憶 劉曉光

0.引言

世界范圍內的能源短缺問題成為了人們面臨的主要問題，化石燃料的過度使用必然給環境帶來嚴重的影響。此時，清潔能源與可再生能源的地位被進一步提升，太陽能光伏技術也有了更廣闊的發展前景。掌握行業內的先進技術，提升光伏發電系統的效率，對于經濟發展和社會發展都具有顯著的現實意義。

1.光伏系統的常見損耗

光伏發電系統包括光伏陣列、電子變換器、儲能設備、負載設備等組成，實際的光伏系統也能將太陽能轉化為電能。但轉化過程中，必然會因系統因素而產生損耗。

1.1 失配損耗

由于光伏系統的構建涉及到不同組件之間的串聯與并聯，讓電壓和電流符合交流逆變水平。但由于組件間的電氣參數存在差異，性能方面也存在一定的問題，使得一些組件在正式使用時的匹配性能不佳，電能損失情況嚴重。由于陣列失配包含了電流與電壓的失配，當組串數增加后，單串電纜長度提升，會進一步提升電壓失配的速度。所以根據當時的電流值與功率參數對組件進行優化，可以減少因電流失配產生的損失。但是在具體的設計當中還需要考慮到失配損耗系數。

1.2 電纜損耗

電纜的損耗包括直流電纜損耗與交流電纜損耗，前者多體現在雙芯電纜之上，后者則體現在并網點至箱變的電纜之上。電纜損耗產生的主要原因在于電阻值與電纜長度的關系而產生電阻率，電纜截面的變化會對電阻率產生影響[1]。即：

此時如果電阻值R保持不變，那么電流值的變化會對電能損耗產生一定的影響。另外，輸出功率一定的情況下，電壓等級與電流值之間同樣存在密切的關系。例如在現場的系統環境中，溫度、敷設方式等也會影響到損耗程度。

1.3 系統損耗

系統損耗體現在變壓器、逆變器等設備的損耗方面。變壓器的損耗主要表現為鐵損。光伏電站是利用太陽能來發電，所以工作時間為白天，在夜間時電壓器處于連接電網待機狀態，空載運行必然產生損耗。從逆變器系統來看，系統效率直接影響到光伏系統的運行，光伏逆變器的功率大于50%時，其功率權值達到最大值，特別是在一些溫度較高的區域，直流發電功率會低于STC標準值，逆變器實際性能與作用并不顯著，如何對系統進行科學合理的配置，讓負載工作位于效率點附近，也是未來的主要工作。

2.光伏系統效率優化探討

由于光伏系統的陣列輸出具有非線性的特征，受到環境因素、太陽輻射等條件的影響程度較大。在一定的環境溫度下，光伏陣列可以在不同的輸出電壓下工作，但輸出功率最大值卻需要進行合理計算。所以要想提升系統的整體效率，就需要對光伏陣列的工作點進行合理調整，讓其能始終工作于最大功率點附近。具體來看可以從以下幾個方面展開。

2.1 光伏電池規劃

光伏電池的等效電路如圖1所示。

通過等效電路圖，可以得知光伏電池在正常情況下等效串聯的電阻較小，而等效并聯電阻較大，對于一般的工程系統來說，需要建立工程應用模型，對輸出特性進行規劃。太陽能電池的產品組件中也會涉及到開路電壓、短路電流與峰值功率等參數，這些參數對于光伏系統具有重要的作用[2]。出于對外界環境因素的考慮，仿真模型需要與系統設計之間具有更加緊密的聯系。此時可以構建光伏陣列曲線來對模型進行規劃和描述，例如使用MATLAB仿真軟件構件模型，可以反映出光伏陣列的特征，與實際的參數相對應，設定簡便，對于系統級仿真應用具有顯著的參考價值。

圖1 光伏電池等效電路

在溫度與環境因素一定的條件下，光伏電池輸出電流、電壓與功率之間也有著密切的聯系。伏安特性曲線具有顯著的非線性，不可能為負載提供大功率，輸出電流在大部分的電壓范圍內可以保持恒定，電流下降率明顯。而光伏電池此時的輸出功率也和日照強度、太陽能光譜分布情況有關，太陽能電池的開路電壓與輸出功率在太陽輻照度不變的情況下都會隨著外界變化而變化，溫度會直接影響開路電壓。

2.2 逆變技術

傳統的逆變技術在結構性能上已經相對成熟，但是仍然存在著一定的缺陷。首先逆變器中的升壓變壓器是工頻變壓器，為了滿足系統的散熱要求，會加大工頻變壓器的體積與重量，此時不僅系統的成本增加，也會導致在系統工作時產生很大的噪音，且必須選用大電流規格的開關元件，對于一些輸入電壓和負載產生的波動，裝置動態響應性能會有所降低。

因此，高頻鏈逆變技術隨之產生，不僅可以大幅減少逆變電源的性能，簡化結構，還可以提升系統的效率。所以研究者們將研究方向也放在了交流患者的逆變器研究，包括電壓源型與電流源型。

電壓原型的逆變技術適用于各類低壓輸入變換的場合，但需要考慮到固有電壓的過沖問題，當變壓器中電流被打斷時，儲存的能量會失去釋放回路，導致高頻變壓器與周波變換器之間的電壓過沖[3]。而電流源高頻逆變器并不需要考慮這些方面的問題，可以實現降低系統損耗的目的，還可以解決電壓過沖問題，在控制方案和動態性能上都相對優秀，也是目前逆變技術中主要采用的電路拓撲形式，具有更好的應用前景。

2.3 最大功率點跟蹤模式

在光照強度不同的情況下，太陽能電池的伏安特性曲線也會存在差異。因為它本身不是恒電壓源和恒電流源，而是一種非線性直流電源。當溫度保持在某個范圍內時，最大功率點會保持在一根垂線的兩側，可以將最大功率點的軌跡看做是恒定垂線。此外，最大功率點的跟蹤模式還可以采用增量電導法來完成，也是MPPT的常見方法。光伏陣列電壓功率曲線是單峰值曲線，在最大輸出功率點時功率對電壓倒數為零，所以采用這種方式并不需要進行多字節的計算工作就能保證系統的穩定性。但需要注意的要點在于光伏陣列可能存在局部功率最大點，系統可能會穩定在某一個工作點而不產生變化。

2.4 并網發電系統改進

傳統的三相光伏并網系統采用的是電壓拓撲結構，而系統改進之后，在并網運行的模式之下，逆變器處于電流控制模式，并網電流的大小會受到光伏陣列輸出功率的影響，此時控制并網電流就相當于對輸出功率進行管控，逆變器的電流也會影響輸出功率的大小，采用雙閉環的控制模式來實現電壓同步和電流采樣等工作。目前在改進的MPPT方法之中，擾動觀測法是常見的方法，但該模式容易受到外界環境的影響產生結果誤差，必然影響發電系統的效率[4]。所以為了降低系統損耗，就應該在功率采樣點之間選擇正確的擾動方向，提升跟蹤效率，保障光伏陣列具備輸出最大功率的能力，對系統進行改進。

3.結語

本次研究首先針對光伏系統的損耗情況進行分析，分別從影響光伏發電效率的幾個因素展開了研究，并探討如何在效率上進行優化。而通過仿真模型的構建，結果也表明最大功率跟蹤方法是提升光伏陣列效率的關鍵方式，此外還包括光伏電池、逆變技術、并網系統改進等，均表現出了良好的動態特性。在未來的研究工作中，還可以考慮到系統的二次集成來調整結構，采用模塊化的結構減少分布參數，提升系統性能，便于對系統進行調節。