光伏系统发电效率提升方法研究

杨晶

中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 100052

摘要：为了提高光伏发电中太阳能的转化率，文章从太阳自动跟踪和最大功率跟踪两个方面展开研究。首先对太阳的追光策略进行优化，然后提出了基于功率预测的恒压启动变步长扰动观测法，使光伏系统精准跟踪太阳的同时保持最大功率输出，进一步提高了光伏系统的发电效率。

关键词：光伏系统；发电效率；有效措施

1 引言

随着全球化石能源储量减少和环境污染加剧问题，人类需要寻找到替代传统化石能源发电的新型、清洁、可持续利用的发电模式，光伏发电系统具有清洁无污染、可持续利用的特点，越来越受到国家和各企业单位的重视。根据光伏发电系统工况点，控制系统使光伏系统工作在当前最大输出功率处称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制，光伏发电系统首先经过直流稳压，通过逆变器转变为交流电能。受光照强度和现场温度影响，光伏发电系统输出功率呈现随机间歇性，需并网跟踪控制实时调节并网参数，这是光伏系统并网发电中的核心环节。

2 光伏发电功率特性分析

在光伏发电过程中，需要结合系统发电特性对功率进行预测。但实际光伏发电将受到气压、温度等各方面因素的影响，因此需要实现历史数据深入分析，对其中隐含的规律进行挖掘。通过建立功率预测模型，对一定时间内光伏发电功率进行科学预估，能够根据精准预测曲线做好光伏电站运行安排，避免大规模光伏电站并网给电网运行带来不良影响。实际在光伏发电输出功率分析上，可以按照下式计算：

式中，η指的是太阳能电池转换效率，S为光伏阵列面积，I为太阳辐射强度，t0则为环境温度。在光伏发电系统运行过程中，S和η基本不变，但其他因素将随着气候、季节变化发生改变，导致发电输出功率不断波动。在光伏电站接入电网过程中，需要制定科学调度计划。为此，还要对光伏发电功率进行预测，通过负荷跟踪确定1d内光伏发电功率变化情况。在实际分析过程中，对6h以内功率进行预测，需要利用卫星云图实现数据实时处理。根据观测得到的地面数据、天气预报信息等进行综合预测，确定功率瞬变情况。预测的时间分辨率最小将达到1min，最大不超10min，能够为电网状态实时分析提供依据，为电网自动发电控制实现提供支持。而对6h以上功率变化进行预测，可以直接利用天气预报数据进行分析。在使分析的数据量得到减少的同时，对气象等数据无过高的时空分辨率要求。在实际分析过程中，需要保证预测结果达到较高精度，以便通过科学调度为电网安全运行提供保障。得到的结果也能为光伏发电中长期功率预测奠定扎实基础，使区域光资源得到科学利用。

3 提升光伏系统发电效率的措施

3.1 功率预测算法

对光伏发电的功率进行预测，如果采取传统统计方法完成气象预报、历史功率数据等数值统计分析，分析结果并不精确。根据气象和太阳辐射强度间的物理映射关系进行预测，需要频繁变换光电转换模型进行功率预测，难以满足现实操作要求。过去主要按照时间顺序完成样本数据排列，根据数据隐含线性规律实现功率预测。尽管模型简单，但在光伏电站日渐增多的背景下，参数确认日渐困难。为解决这些问题，机器学习和深度学习等不同算法得以被提出。

3.2 并网低压配电箱的设置

小型分散式光伏发电系统经过逆变器整流后，转换成AC380V50Hz电源，光伏电源需与正常电网之间设置合理的并网方式，保证电源的可靠运行。小规模建筑用光伏发电系统并网接入点一般选择在低压配电箱，在设备配电箱进线处设置双电源转换开关，当光伏发电系统的电量充足的情况下完全由光伏电源为该系统下的负荷供电，当阴雨天气太阳能发电量不足或者光伏电路发生故障不能正常供电时，将供电电源切换到市电电源。该项目并网低压配电箱安装在楼顶机房外墙上，配电箱一路进线引自光伏发电系统逆变器，另一路进线引自市电。当光伏系统发电量充足的情况下，引自光伏系统回路的进线开关处于闭合状态，否则投切到市电回路，使进线开关闭合，确保该配电箱进线母排一直处于通电状态。将配电箱低压出线分别引至一楼冷藏室、冷库低压供电回路和二至六楼室内空调机各供电回路为其供电。

3.3 采用变步长的扰动观察法

传统的扰动观察法扰动步长为一个固定值，设置较大的步长能够快速响应环境的变化，但会使工作点在最大功率点附近反复波动，影响稳定性；设置较小的步长会使到达最大功率点的周期变长，使系统响应速度变慢，因此为了平衡速度和精度，选取合适的扰动步长十分关键。所以根据上面的问题，对扰动步长进行调整，经过对比分析，本方案将影响扰动步长的光照强度分为三个区间。试验表明，光照强度变化在50W/m2以上，基本不会出现跟踪丢失的现象，因此将50W/m2作为扰动步长的一个切换阈值，而20W/m2以下的扰动变化反而更容易引起最大功率振荡，所以将20W/m2作为停止扰动的另一个阈值。综上所述，当光照强度的变化在50-100W/m2的范围内采用一个较大的扰动步长，光照强度的变化在20-50W/m2的范围内采用一个较小的扰动步长，光照强度的变化在0-20W/m2的范围内，认为是一个极其微小的变化范围，为了避免系统在最大功率点处来回震荡，减少系统功率损耗，在这个范围内不进行电压扰动，当检测外界环境变化超过22W/m2（错值防抖）时，系统继续进行扰动观察算法最大功率跟踪。

3.4 电流内环控制

电流内环控制通过对并网指令电流的跟踪实现光伏并网发电系统的并网，控制对象是并网逆变器交流侧的输出电流。并网电流瞬时有效值指令ig*是周期信号，其频率受网侧负载的影响。并网型光伏发电系统需实时根据当前工况调整输出电压，并实时跟踪电网频率完成并网，这就要求控制器有足够快的响应时间，尤其是电流内环控制环节，此环节影响光伏发电系统的功率因数和电能质量能否达到并网要求，光伏并网逆变器的实现不仅要求有优良的硬件构成，更需要控制实现无差跟踪并网电流指令。

4 结束语

据2017年光伏电站一期项目的发电量数据显示，全年发电量为4219.21万千瓦时，预测值与实际生产生活的数值较为接近，属于可接受范围内，可以满足电网实时分析和调度要求。未来随着大数据、云计算等先进技术的融合运用，建构的模型可以得到进一步完善，达到更高的光伏发电功率预测精度，使技术得到推广应用。

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