對(duì)于一個(gè)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(diǎn)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(gè)光伏系統(tǒng)的工作是十分復(fù)雜的，往往不能夠達(dá)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(yáng)能光伏網(wǎng)主辦的“2017第三屆電站質(zhì)量高峰論壇”上，來(lái)自固德威太陽(yáng)能學(xué)院的院長(zhǎng)王五雷給大家分享了“光伏系統(tǒng)在非最大功率點(diǎn)工作”的幾種情況。他表示，在光伏電站的實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)無(wú)法在最大功率點(diǎn)工作。

明確最大功率點(diǎn)定義

由光伏組件的I-U曲線(xiàn)可以看出光伏組件的輸出曲線(xiàn)是非線(xiàn)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(gè)特點(diǎn)的電壓Ump時(shí)，它與光伏組件輸出的電流Imp的乘積即功率P達(dá)到最大值，這個(gè)工作點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)。

電壓-功率曲線(xiàn)圖

電壓-電流曲線(xiàn)圖

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

對(duì)于光伏系統(tǒng)而言，高效運(yùn)行，往往還有其他幾個(gè)前提，即安全(包括人身安全和電網(wǎng)安全)，穩(wěn)定(無(wú)故障運(yùn)行)，連續(xù)(無(wú)非故障停機(jī))。沒(méi)有這三個(gè)前提，單純追求高效的轉(zhuǎn)換，是不科學(xué)也是不現(xiàn)實(shí)的。

光伏發(fā)電系統(tǒng)在”非最大功率點(diǎn)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(shí)，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(jī)防逆流示意圖

通過(guò)CT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電情況，反饋給逆變器，一旦光伏發(fā)電不能全部被負(fù)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(guò)壓降載(交流側(cè))

光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)之后，會(huì)抬升電網(wǎng)電壓，若該地區(qū)電網(wǎng)消納能力有限，或線(xiàn)路損失太大，就要面臨過(guò)壓降載的問(wèn)題。根據(jù)NBT-32004的光伏逆變器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓在正常范圍(187V~242V)時(shí)，逆變器方可正常并網(wǎng)運(yùn)行。

但當(dāng)電網(wǎng)電壓高于設(shè)定的限值時(shí)(設(shè)定限值要考慮安全規(guī)范，也要結(jié)合負(fù)載、相關(guān)保護(hù)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(guò)限制逆變器的輸出功率來(lái)達(dá)到目的，在這種狀態(tài)下，逆變器實(shí)時(shí)跟蹤組件的功率曲線(xiàn)，并選取“能夠保證電壓不超限”的功率點(diǎn)來(lái)輸出，進(jìn)而系統(tǒng)將工作在“非最大功率點(diǎn)”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(shí)際上對(duì)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(gè)概念指的是組件對(duì)比逆變器的額定功率比。實(shí)際光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)“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(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)地區(qū)，建議的超配比也不同。

如果超配過(guò)大，則會(huì)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(jì)“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(duì)PR具有很大影響。如圖中所示，綠色曲線(xiàn)是無(wú)遮擋、光照正常的情況下，組件的功率特性曲線(xiàn)。紅色曲線(xiàn)是在陰影遮擋的時(shí)候，組件的功率特性曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)多波峰的情況。

不同時(shí)間段MPPT追蹤示意圖

當(dāng)逆變器遇到這種情況(陰影遮擋)時(shí)，如果逆變器沒(méi)有合適的“陰影掃描算法”，使用常規(guī)的算法會(huì)難以找到最大功率點(diǎn)。同時(shí)，由于具有多個(gè)波峰，波峰高度不同，逆變器可能追到到最低的那個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)損失相對(duì)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(diǎn)，保證光伏系統(tǒng)的輸出。實(shí)際上最好的方案還是沒(méi)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(guó)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(jī)容量的70%發(fā)電運(yùn)行或者接受電網(wǎng)調(diào)度。并且在新的德國(guó)安規(guī)中可能會(huì)作為強(qiáng)制要求項(xiàng)，在電網(wǎng)發(fā)出該指令時(shí)，逆變器會(huì)出現(xiàn)不工作最大功率點(diǎn)的情況。

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

6、無(wú)功補(bǔ)償

在工商業(yè)分布式應(yīng)用領(lǐng)域，會(huì)有一部分項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有充分考慮并網(wǎng)點(diǎn)問(wèn)題以及廠(chǎng)區(qū)現(xiàn)有的無(wú)功補(bǔ)償條件。盡管逆變器能夠承擔(dān)一定的無(wú)功補(bǔ)償功能，但這會(huì)導(dǎo)致有功輸出降低。

7、儲(chǔ)能場(chǎng)景

未來(lái)，光伏發(fā)電系統(tǒng)或許會(huì)和儲(chǔ)能有更多的結(jié)合。當(dāng)白天日光充沛時(shí)，將光伏系統(tǒng)所發(fā)的電，存儲(chǔ)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(huì)有一些損耗。逆變器此時(shí)需要擔(dān)負(fù)檢測(cè)負(fù)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(huì)影響投資收益。事實(shí)上，卻是為了保證電網(wǎng)穩(wěn)定、或滿(mǎn)足負(fù)載需求、甚至是偶爾需要通過(guò)限功率保證系統(tǒng)正常工作的必要手段。

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