7個原因 導(dǎo)致光伏系統(tǒng)并非始終工作在最大功率點

:對于一個光伏發(fā)電系統(tǒng)，我們都希望它能夠始終保持在最大功率點工作，這樣我們的投資收益才能夠?qū)崿F(xiàn)最大化。但是一個光伏系統(tǒng)的工作是十分復(fù)雜的，往往不能夠達到我們理想中的狀態(tài)。

2017年10月26日-27日，在由北極星太陽能光伏網(wǎng)主辦的“2017第三屆電站質(zhì)量高峰論壇”上，來自固德威太陽能學(xué)院的院長王五雷給大家分享了“光伏系統(tǒng)在非最大功率點工作”的幾種情況。他表示，在光伏電站的實際運行過程中，電網(wǎng)調(diào)度要求、功率因數(shù)限制、功率限制、電壓超限等諸多因素，都會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)無法在最大功率點工作。

明確最大功率點定義

由光伏組件的I-U曲線可以看出光伏組件的輸出曲線是非線性的，在同樣的光照條件下不同的工作電壓具有不同的輸出電流，這樣當(dāng)光伏組件工作在某一個特點的電壓Ump時，它與光伏組件輸出的電流Imp的乘積即功率P達到最大值，這個工作點就是最大功率點。

電壓-功率曲線圖

電壓-電流曲線圖

如上電壓-功率曲線圖所示，曲線的最高點，就是我們始終希望光伏系統(tǒng)的工作點，而逆變器尋找這個最高點的過程就是我們熟知的MPPT(最大功率點跟蹤)。只有當(dāng)逆變器追蹤到了這個點，并將它轉(zhuǎn)換出來，才能得到我們想要的最大功率。

對于光伏系統(tǒng)而言，高效運行，往往還有其他幾個前提，即安全（包括人身安全和電網(wǎng)安全），穩(wěn)定（無故障運行），連續(xù)（無非故障停機）。沒有這三個前提，單純追求高效的轉(zhuǎn)換，是不科學(xué)也是不現(xiàn)實的。

光伏發(fā)電系統(tǒng)在”非最大功率點工作狀態(tài)“的情況，主要有以下7種：

1、防逆流

目前，還有很多地方，由于不同的原因，導(dǎo)致光伏發(fā)電只能自發(fā)自用，余電不允許送入電網(wǎng)。此時，電網(wǎng)公司要求光伏并網(wǎng)光伏系統(tǒng)安裝“防逆流”裝置。

固德威單相機防逆流示意圖

通過CT實時監(jiān)測用電情況，反饋給逆變器，一旦光伏發(fā)電不能全部被負載消耗掉，逆變器為了保證“不給電網(wǎng)送電”，需要限制自身的功率輸出。這種狀態(tài)，是非常典型的一種“非最大功率工作狀態(tài)”。

2、過壓降載(交流側(cè))

光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)之后，會抬升電網(wǎng)電壓，若該地區(qū)電網(wǎng)消納能力有限，或線路損失太大，就要面臨過壓降載的問題。根據(jù)NBT-32004的光伏逆變器國家標準，當(dāng)電網(wǎng)電壓在正常范圍(187V~242V)時，逆變器方可正常并網(wǎng)運行。

但當(dāng)電網(wǎng)電壓高于設(shè)定的限值時(設(shè)定限值要考慮安全規(guī)范，也要結(jié)合負載、相關(guān)保護器件的耐壓值)，為了保證光伏系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)電，而不是直接脫網(wǎng)，需通過限制逆變器的輸出功率來達到目的，在這種狀態(tài)下，逆變器實時跟蹤組件的功率曲線，并選取“能夠保證電壓不超限”的功率點來輸出，進而系統(tǒng)將工作在“非最大功率點”的狀態(tài)。

這種情況是大家所不想看到的，也有一些解決方案。但是這種狀態(tài)實際上對收益仍舊是有保障的。

3、直流超配限載

“超配比”已經(jīng)是為光伏人廣泛接受的概，這個概念指的是組件對比逆變器的額定功率比。實際光伏系統(tǒng)設(shè)計“超配”可以提高我們的投資收益。當(dāng)然，不同光照地區(qū)，如一類、二類、三類地區(qū)，建議的超配比也不同。

如果超配過大，則會出現(xiàn)下圖的情況：

直流側(cè)限載監(jiān)控圖

因此，結(jié)合不同地區(qū)的光照情況，合理設(shè)計“超配比”，可以避免光伏系統(tǒng)的“非最大功率工作狀態(tài)”。

4、陰影遮擋

陰影遮擋對PR具有很大影響。如圖中所示，綠色曲線是無遮擋、光照正常的情況下，組件的功率特性曲線。紅色曲線是在陰影遮擋的時候，組件的功率特性曲線會出現(xiàn)多波峰的情況。

不同時間段MPPT追蹤示意圖

當(dāng)逆變器遇到這種情況（陰影遮擋）時，如果逆變器沒有合適的“陰影掃描算法”，使用常規(guī)的算法會難以找到最大功率點。同時，由于具有多個波峰，波峰高度不同，逆變器可能追到到最低的那個點，系統(tǒng)損失相對更大。另外，盡管一些逆變器能夠在電壓范圍內(nèi)全局掃描追蹤最大功率點，保證光伏系統(tǒng)的輸出。實際上最好的方案還是沒有陰影遮擋。

5、政策限載或電網(wǎng)調(diào)度

政策限載或接受電網(wǎng)的調(diào)度，也是光伏系統(tǒng)工作在非最大功率狀態(tài)的重要原因。以德國政府為例，2013年在VDE-AR-N4105規(guī)范中提出，要求所有的逆變器必須兼容電網(wǎng)給的通訊的指令，要求光伏電站按照裝機容量的70%發(fā)電運行或者接受電網(wǎng)調(diào)度。并且在新的德國安規(guī)中可能會作為強制要求項，在電網(wǎng)發(fā)出該指令時，逆變器會出現(xiàn)不工作最大功率點的情況。

同時隨著能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)等局域性獨立電網(wǎng)概念的提出，為確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，光伏系統(tǒng)也可能頻繁出現(xiàn)不工作在最大功率點的情況。

6、無功補償

在工商業(yè)分布式應(yīng)用領(lǐng)域，會有一部分項目前期設(shè)計時，沒有充分考慮并網(wǎng)點問題以及廠區(qū)現(xiàn)有的無功補償條件。盡管逆變器能夠承擔(dān)一定的無功補償功能，但這會導(dǎo)致有功輸出降低。

7、儲能場景

未來，光伏發(fā)電系統(tǒng)或許會和儲能有更多的結(jié)合。當(dāng)白天日光充沛時，將光伏系統(tǒng)所發(fā)的電，存儲于蓄電池，晚上用電高峰期便可以使用。但是蓄電池的充放電會有一些損耗。逆變器此時需要擔(dān)負檢測負載用電需求的重任。

光伏系統(tǒng)是極其復(fù)雜和多樣的。表面上看，電網(wǎng)調(diào)度要求、功率因數(shù)限制、功率限制、電壓超限等限制因素會影響投資收益。事實上，卻是為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定、或滿足負載需求、甚至是偶爾需要通過限功率保證系統(tǒng)正常工作的必要手段。