光伏发电的运行策略优化

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：这样,即使光伏电池的结温升高使得光伏阵列的输出功率减少,系统仍能运行在当前工况下的最佳状态。一般的光伏电池都会受到温度的影响,如图3-6所示。对于温差比较大的地区,温度的变化对光伏阵列的输出有较大影响,如果仍采用CVT控制策略,就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。

光伏阵列输出特性具有非线性特征,并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况的影响。在一定的光照强度和环境温度下,光伏电池可以工作在不同的输出电压,但是只有在某一输出电压值时,光伏电池的输出功率才能达到最大值,这时光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点,称之为最大功率点(maximum power point,MPP)。因此,在光伏发电系统中,要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近。常用的控制方法如下。

1.恒电压控制(constant voltage tracking,CVT)

光伏阵列是一种非线性的电源。其输出特性可以视为由恒电流区域与恒电压区域组成,这两块区域的交接点即为最大功率点。因为在不同的光照强度下,光伏阵列都会存在着这样一个最大功率点。由于光照强度与温度的变化会改变这些恒电流和恒电压区域,所以最大功率点也随之改变。

当忽略温度效应时,光伏阵列的输出特性如图3-7所示。

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图3-7　忽略温度效应时的光伏电池输出特性与负载匹配曲线

光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点a＇、b＇、c＇、d＇、e＇总是近似在某一个恒定的电压值Um附近。假如曲线L为负载特性曲线,a、b、c、d、e为相应光照强度下直接匹配时的工作点,可以看出,如果采用直接匹配,光伏阵列的输出功率较小。为了弥补阻抗失配带来的功率损失,可以采用恒定电压控制策略。在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换,使得系统成为一个稳压器,即光伏阵列的工作点总稳定在Um附近。

2.最大功率点跟踪控制(maximum power point tracking,MPPT)

最大功率点跟踪控制实时检测光伏阵列的输出功率,采用一定的控制算法预测当前工况下光伏阵列可能的最大功率输出,通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样,即使光伏电池的结温升高使得光伏阵列的输出功率减少,系统仍能运行在当前工况下的最佳状态。

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图3-8　MPPT算法分析示意图

MPPT控制的原理如图3-8所示。假定图中曲线1和曲线2为两不同光照强度下光伏阵列的输出特性曲线,A点和B点分别为相应的最大功率输出点；并假定某一时刻,系统运行在A点。当光照强度发生变化,即光伏阵列的输出特性曲线由曲线1上升为曲线2时,此时如果保持负载1不变,系统将运行在A＇点,这样就偏离了相应光照强度下的最大功率点。为了继续追踪最大功率点,应将系统的负载特性由负载1变至负载2,以保证系统运行在新的光照强度下的最大功率点B。同样,如果光照强度变化使光伏阵列的输出特性由曲线2减至曲线1,则相应的工作点由B点变化到B＇点,应相应的调整负载2至负载1,以保证系统在光照强度减小的情况下应运行在最大功率点A。

3.MPPT和CVT控制的比较

CVT控制策略只考虑了光照强度变化对光伏阵列输出功率的影响,没有考虑温度变化的影响。一般的光伏电池都会受到温度的影响,如图3-6所示。在光伏阵列的功率输出随着温度变化的情况下,如果仍采用恒定电压跟踪控制策略,光伏阵列的输出功率将会偏离最大功率点,产生较大的功率损失。特别在有些情况下,光伏阵列的结温升高比较明显,导致其伏安特性与系统预先设定的工作电压可能不存在交点,那么系统就会产生振荡。对于温差比较大的地区,温度的变化对光伏阵列的输出有较大影响,如果仍采用CVT控制策略,就只能通过降低系统的效率来保证其稳定性。要同时考虑光照强度和温度的变化对光伏阵列输出功率的影响,应采用最大功率点跟踪控制。而MPPT控制策略同时考虑了光照强度变化和温度变化对光伏阵列输出功率的影响。避免了上述问题。

光伏发电的运行策略优化

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