光伏电站中电缆压降对最大功率点跟踪系统的影响分析

2017-01-09万心一孙红雨

甘肃科技 2016年23期

万心一，孙红雨，韩斌

(1.中国能建集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安710065；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065；3.中国兵器工业第203研究所，陕西西安710065)

万心一1，孙红雨2△，韩斌3

目前光伏发电已成为我国发电系统的重要组成部分之一，其中最大功率点跟踪(MPPT)作为提高整个光伏发电站效率的核心技术尤显重要。本文根据光伏发电站的系统结构，基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型，结果表明电缆压降对光伏发电站最大功率点跟踪系统有影响。因此，可以通过调整直流电缆等效内阻提高MPPT的工作效率，从而使整个光伏电站的效率也得到进一步提高。

光伏电站；电缆压降；MPDT

能源是社会和经济发展的基础，更是国家发展和安全的重要命脉。光伏发电作为一种可再生的清洁能源，已成为发电系统的重要组成部分［1-3］。并网光伏发电系统使太阳能的大规模利用成为可能，也因此成为研究的热点［4］，其中最大功率点跟踪(MPPT)控制以及并网逆变器控制是光伏发电系统的关键控制技术。光伏发电系统成本普遍较高，因此需要充分利用光伏电池最大发电效能，这就使得MPPT技术成为光伏发电控制系统中不可缺少的控制策略，其中文献［5-9］也提出了不同的最大功率点跟踪(MPPT)控制方法及改进措施。

1 最大功率点跟踪系统分析

并网光伏发电站主要由光伏组件、汇流箱、直流柜、并网逆变及箱式变电站组成，其结构图如图1所示。

图1 并网光伏发电站结构示意图

太阳光照射在半导体表面，半导体内部产生感应电动势称为光生伏特效应。目前最典型的太阳能电池数学模型如图2所示。

图2 光伏电池等效电路图

其基本工作原理为：当光照强度和环境温度保持不变时，因为假设光伏电池的工作状态发生变化，造成的结果是光生电流IL却保持不变，所以此时可以把该元件等效为一个恒流源。光伏电池的两端连接负载后，负载中便有光生电流流过，并在负载的两端产生端电压，作用在光伏电池的PN结上，便立即产生一个暗电流Id，该电流的方向和光生电流的方向相反。除此之外，由于光伏材料本身的电阻率以及光伏电池板前后表面电极电势差对光伏电池的影响，当工作电流流过光伏电池板时必定会给电池板内部带来一定的串联损耗，我们在这里引入串联电阻RS。串联电阻越大，系统中线路的损耗越大，光伏电池的输出效率也就越低。

分析光伏电池等效电路图不难得出光伏电池的工作电流为：

式中：I为光伏电池的输出工作电流；IL为光生电流；IO为反向饱和电流；V为输出电压；T为绝对温度(K)；q是单位电荷，其值为1.6×10-19C；K是玻耳兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K；A为二极管曲线因子，其值处在1-2之间。通常情况下上式中的（V+RSI）/ Rsh项远小于光伏电池输出电流，所以一般情况下是可以忽略的，故可以得到简化式如下：

系统的输出功率P是输出电压U和输出电流I的函数，其表达式为P=UI，系统的输出电压和输出电流的U-I关系可以通过式（2）表示，最大功率点功率Pmp=Ump×Imp，其中Ump和Imp分别为光伏曲线对应的最大功率点电压Um和最大功率点电流Im。其Ump-Imp曲线如图3所示。

图3 光伏电池组件的U-I曲线

2 电缆压降对最大功率点跟踪的影响

若干电池组件串联成为一个电池组串，相同数量组件构成的电池组串通过电缆并联接至汇流箱,若干汇流箱并联后通过电缆接至直流柜母排，经二次汇流后接入逆变器输入侧。此时逆变器实现的最大功率点跟踪实际上是各支路电池组串在直流母排处的等效PV特性，即MPPT是在一种“伪跟踪”状态下，未能实现真正的最大功率点跟踪，那么光伏发电站系统效率必将随之降低。

由于电缆自身存在的等效内阻r，使得电池组串至直流母排的开路电压存在一定程度的降低，即电池组串本身的PV曲线特性经过一段电缆的输送后因内阻r的存在而发生了变化。

以某实际工程为例（两个12路汇流箱进入同一个MPPT时），直流电缆长度及压降见表1，线缆的最大压降为2.75%，最小压降为0.33%。

表1 直流电缆长度及压降

3 仿真

为了验证上述光伏发电站的理论分析，结合Matlab/Simulink平台对电池组串进行了MPPT的数学模型搭建，并结合实际电站特性对光伏电池组件的最大功率点跟踪做了仿真研究。

以单个电池组件的电气参数为例，其开路电压为37.62V，最大功率点电压为30.36V，短路电流为8.88A，最大功率点电流为8.4A，则将20个电池组件进行串联连接形成一个电池组串，则一个电池组串的开路电压Uoc1为752.4V，最大功率点电压Ump1为607.2V。以直流部分总压降2.5%为例，接入直流母排开路电压Uoc2为733.6V，最大功率点电压Ump2为592V。

图4 不同开路电压下MPPT仿真结果

图4中曲线Ⅰ和曲线Ⅱ分别为经电缆压降为2.5%的电池组件P-U曲线，曲线Ⅲ为二者接入直流母排后的等效实际跟踪P-U曲线。为进一步研究上述MPPT效果，结合仿真结果可以看出，曲线Ⅰ中的最大功率点A处PA＝5121W，曲线Ⅱ中的最大功率点B处PB＝4992W，曲线Ⅲ中的最大功率点C处PC＝10102W，计算可得PA+PB-PC＝11W，以100MWp光伏电站运行期25年为例，该直流侧电缆压降对最大功率点跟踪所造成的电能损失约为8×105kWh。

5 结论

本文根据光伏发电站的系统结构，通过理论分析、搭建Matlab/Simulink仿真模型，得出电缆因其等效内阻r产生的电压降落影响最大功率点跟踪系统的效率，即MPPT未能实现真正的最大功率点跟踪。实际工程中各直流支路的电缆因其长度不等而存在不同的等效内阻，使得输入MPPT的每回线路的压降存在差异，此差异性会直接影响最大功率点跟踪的准确度，降低了整个光伏发电站的发电效率。

在设计工作中可以通过改变电缆的长度及截面使每回支路的等效电阻相等，使得MPPT工作在每个支路的最大功率点，光伏发电站效率也将随之得到提高。

［1］刘邦银，段善旭，康勇.高能效直流模块式光伏发电系统性能评估［J］.太阳能学报，2008，29(9)：46-52.

［2］廖志凌，阮新波.光伏发电系统能量管理控制策略［J］.中国电机工程学报，2009，29(21)：46-52.

［3］赵争鸣，雷一，贺凡波等.大容量并网光伏电站技术综述［J］.电力系统自动化，2011，35(12)：101-107.

［4］赵争鸣，刘建政.孙晓瑛等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社.2005：109-111.

［5］熊远生，俞市，徐建明.固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中应用［J］.电力自动化设备，2009，29(6)：85-88.

［6］栗秋华，周林，刘强等.光伏并网发电系统最大功率跟踪新算法及其仿真［J］.电力自动化设备，2008，28(7)：21-24.

［7］温嘉斌，刘密富.光伏系统最大功率点追踪方法的改进［J］.电力自动化设备，2009.29(6)：81-84.