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低光照下,光伏组串式逆变器效率低,学术界有哪些解决思路?

日期:2021-07-23    来源:电气技术

国际太阳能光伏网

2021
07/23
10:33
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关键词: 光伏电站 逆变器 光伏组件

针对均匀低光照下组串式逆变器效率低的问题,燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室、河北省电力公司电力科学研究院、石家庄供电分公司的研究人员薛世伟、贾清泉、李盼、梁纪峰、耿亮,在2021年第9期《电工技术学报》上撰文,利用一种直流开关拓扑结构,对其连接方式及群控系统转换效率进行了分析,利用运行效益指标和控制决策,提出一种提升组串逆变器并行效率的直流侧开关重构策略,可为光伏电站设计人员提供参考。

为促进清洁太阳能资源利用,我国相继出台了一系列鼓励分布式光伏发展的政策。据国家能源局对光伏发电并网统计可知,从2016年底到2020年上半年,我国分布式光伏发电累计安装容量占比从13%达到31%,分布式光伏发电装机容量逐年上升迅猛。分布式光伏发电集群由于其稳定、高效、灵活、友好并网特性,将逐渐成为电力生产和光伏能源消纳的新模式,其整体效率也越来越受重视。

通常情况下,分布式光伏发电中,光伏组串与逆变器固定连接。在早晚及阴雨天等低光照情况下逆变器处于轻载条件下运行。然而,逆变器在轻载时工作效率很低。光伏逆变器转换效率受其输入功率影响,特别是当逆变器输入功率在额定功率20%以下时,随着输入功率下降,逆变器转换效率也会明显降低。低光照下,组串逆变器大规模并网能量损失严重,直接降低了企业效益。

采取适当的措施,如改变光伏系统直流拓扑结构、添加开关设备等可以提高光伏系统效率。一些文献研究了光伏组件在光伏阵列中的重构配置。但是均是对光伏组件串并联重构,在满足光伏串电压相同的前提下,提高光伏串的总电流。但是,大多数情况下,光伏组件都接受均匀的光照,改变光伏阵列中组件的连接状态难以提高光伏阵列输出功率,低光照条件下光伏系统效率仍然很低。

有学者综述了大量的逆变器拓扑结构,并根据系统的具体要求,选择逆变器拓扑结构提高性能。尽管在低功率运行条件下,特定拓扑及软开关可以改善逆变器的转换效率,但由于半导体的固定损耗,逆变器在轻载时的效率仍然非常低。微型逆变器可实现每个模块的最佳运行,提高系统效率,但这种逆变器装置由于复杂的拓扑、低转换效率和额定功率限制,主要用于小型光伏发电系统。

有学者综述了光伏系统结构,其中提到了团队概念,即多个逆变器以团队合作的方式运行。在低太阳辐射下,光伏阵列的所有串并联到一个逆变器,而其他逆变器断开。在增加辐射的情况下,光伏阵列被分成若干子阵列,这些子阵列连接到不同的独立工作的串联逆变器上。这种方式能够提高光伏发电性能。

有学者提出具有共享直流母线和交流母线的连接方法。针对不同的负载条件调整多台逆变器的负载分配,使并联逆变器逐一从待机到满载运行,以减少功率损耗。这种控制策略比较简单,提升效率有限。

有学者提出提高欧洲加权效率的策略,逐一使逆变器以满负荷的h%运转并具有最大效率的优先级。最后每个并网逆变器将从满负载的h%逐一移至满负载模式。

有学者研究了逆变器的多种拓扑及调制策略解决高频循环电流问题,并推荐了具有低漏电流(例如H5拓扑)的单相无变压器全桥逆变器。

有学者的连接方法需要并联逆变器具有不同的控制参数以及一些特定的拓扑结构,抗干扰能力差,实际工程中的操作受限很大。

有学者根据检测系统输入或输出功率,采用固定阈值方法改变不同逆变器工作台数提高光伏系统整体效率,灵活性较差。

有学者一同使用光伏阵列串联和并联,使光伏阵列与逆变器进行全网络匹配连接,以系统功率输出最大为目标控制切换装置。但该方法中光伏板直流侧任意串联会出现过电压现象,但未考虑电池板串并联保护。

考虑天气波动性的光伏系统运行情况,燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室等单位的研究人员提出一种时间尺度下提高光伏发电转换效率的直流开关动态重构策略。

图1 光伏群控系统拓扑示意图

基于光伏直流并联开关拓扑结构对多台逆变器运行台数进行控制。考虑光伏系统效率和开关动作次数等运行指标,控制逆变器运行台数,使性能指标最优。利用控制决策防止开关频繁切换和逆变器功率越限。基于最小二乘回归算法预测天气短时间变化范围,确定光伏系统允许的开关重构方案;基于投票理论方法对比历史时间内开关连接方案,得出最佳运行方案。通过本策略与常规连接方式和不考虑控制决策的连接方式对比,验证本策略的可行性。

图2 实验平台

研究人员指出:

本策略基于一种开关控制箱、多光伏串及逆变器组成群控系统,可以提高光伏逆变器总体效率,尤其在低光照下改善效果明显。

群控系统中,考虑群控系统配置的光伏串数量增多,导致计算量增大和提升效果减弱的问题以及考虑实际工程中场地布局的问题,为了减小系统复杂程度,群控系统中拥有较小数量的PV串和逆变器较为合适。考虑光伏电站规模大小及逆变器位置等因素,建立若干个小型群控系统较为合适。

开关切换后,系统短时间内可能会超过系统要求的限值。对开关切换后短时间内的功率变化进行预测,防止逆变器功率越限是可行和有效的。

复杂多变的天气可能导致系统在切换的临界位置频繁变化,这种情况下开关切换带来的系统提升效果并不显著。频繁切换还可能给系统安全带来隐患,因此考虑防止频繁切换是有必要的。基于投票理论的方法选取历史时间内最适应的连接方式可以避免系统频繁切换。


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