中國儲能網(wǎng)訊：在光伏發(fā)電系統(tǒng)設計中，MPPT（Maximum Power Point Tracking）數(shù)量——即最大功率點跟蹤數(shù)量，是關鍵設計要素。當前業(yè)內(nèi)在探討集中型方案和組串型方案的優(yōu)劣，“MPPT數(shù)量增長是否能給電站所帶來的邊際收益”是重要評判維度之一。
筆者從組件失配的產(chǎn)生、多MPPT方案可以解決哪些組件失配、多MPPT的組串型方案和少MPPT的集中型方案的發(fā)電量對比，幾個方面與大家一起用數(shù)據(jù)來剖析其中奧秘。
在光伏系統(tǒng)中，將光能轉(zhuǎn)化為電能的是光伏組件，而客觀存在的組件失配，一定程度上降低了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。采用多MPPT方案，可以一定程度上降低組件失配影響。
一、組件失配是什么
每塊組件都有自己的P-V特性曲線，該曲線會隨著光照強度、環(huán)境溫度的變化而變化。
不同廠家、不同型號、以及不同生產(chǎn)批次的光伏組件，P-V特性曲線并不完全一致；在不同光照、不同溫度以及不同衰減下，各組件的特性曲線也會不一致。簡單來說，一個陣列內(nèi)同一時間不同組件的P-V特性曲線不一致，就是組件失配。由失配的組件進行串聯(lián)或并聯(lián)，形成新的組合功率曲線，如圖二所示。新組合曲線的最大功率輸出，將小于組合前各功率曲線最大功率輸出之和，這就是組件失配導致的功率損失。
二、光伏系統(tǒng)中失配產(chǎn)生的原因
光伏陣列一般采用同一廠商同一批次型號，選擇同傾斜角度進行光伏陣列設計建設，由于各組件P-V特性曲線一致，基本可以認為電站運營初期沒有失配情況發(fā)生。經(jīng)過一段時間的運行，光伏組件將出現(xiàn)不同程度的失配情況，討論較多的有以下三種情況。
組件正常衰減的離散性
通常來說，光伏組件在第一年的衰減約為2%，以后每年衰減約為0.7%，國標規(guī)定25年的生命周期內(nèi)衰減不超過20%。僅僅是組件衰減并不會導致失配，導致失配的是各塊組件的衰減的離散性，即衰減程度的不一致性，離散性越大，失配程度越高。例如，在某個組串運行5年后，大部分組件衰減了5%，僅有1塊組件衰減了7%，那么失配就僅在該7%衰減組件與其他組件串聯(lián)時產(chǎn)生，其他同步衰減5%的組件之間沒有失配。
在同一陣列內(nèi)一般采用同一批次的光伏組件，衰減離散性相對較小，影響比較小。其中一種衰減是由PID（Potential Induced Degradation）引發(fā)的，使用有抗PID功能的逆變器，可以一定程度恢復組件的衰減，進一步降低組件衰減的離散性。
組件非正常損壞
少數(shù)情況下，由于異物粘著組件表面導致局部溫升，形成熱斑進而導致組件的非正常損毀。損毀的組件可能會導致整個串聯(lián)組件斷路，也可能會通過旁路二極管保持串聯(lián)后的組串繼續(xù)工作。
由于非正常破損是直接減少串聯(lián)組件或電池片，并非改變組件P-V特性曲線，工作中的各組件特性仍舊一致。旁路二極管作為負載帶來一定損失，串聯(lián)會產(chǎn)生小幅度失配。
光照強度不均勻
由于組件表面的灰塵積累、陰影遮擋等原因，各組件接受的光照強度不一致，導致同一時間下各組件的P-V特性曲線出現(xiàn)差異，形成失配。光照強度被遮擋的程度不同，所形成的失配的程度也不同。
值得注意的是，灰塵積累雖然對光照影響較大，但由于分布均勻，對組件的失配影響反而較??；以云為主的光照遮擋陰影，影響覆蓋范圍有很強的隨機性，且光照強度差異可能較大，是光伏陣列內(nèi)組件失配的主要原因。
三、多MPPT方案可以解決哪些失配
是光伏系統(tǒng)核心設備光伏逆變器的主要功能之一，通過不斷調(diào)整逆變器自身的等效電阻值，影響所跟蹤的組件的電壓電流值，尋找并保持系統(tǒng)工作在P-V特性曲線的最高功率點。MPPT對發(fā)電量的影響來自兩個方面：MPPT對復雜曲線的動態(tài)靜態(tài)精確跟蹤能力，這取決于逆變器廠商對跟蹤算法的積累和專利；對光伏陣列進行解耦的多MPPT方案設計，這是針對組件失配的發(fā)電功率提升方案。
光伏陣列是由21（或者22）塊組件串聯(lián)形成組串，再由多個組串并聯(lián)組成，P-V特性曲線也是先串聯(lián)再并聯(lián)生成陣列的特性曲線。多MPPT方案解決組件失配，就是通過陣列解耦讓更多的MPPT來分別跟蹤，單個MPPT跟蹤的組件越少，組件失配損失越低。
對陣列的解耦首先從解耦組串并聯(lián)開始。以組串為最小單位進行解耦，可以解決組串并聯(lián)失配損失，解耦越細，并聯(lián)失配損失越低。這也是集中型和組串型方案的主要區(qū)別。
當對組串并聯(lián)解耦進行到極限，即每一組串由一個MPPT單獨進行跟蹤時，可以完全解決并聯(lián)失配。進一步解決組件失配就需要從串聯(lián)失配著手，以組件為最小單位進行解耦，解耦越細，串聯(lián)失配損失越低。只有微型逆變器方案可以實現(xiàn)解決串聯(lián)失配。
四、多種光照遮擋情況下組串型和集中型對比
微型逆變器成本很高，雖然微逆方案可以完全解決失配功率損失問題，但其經(jīng)濟性很差。在此，發(fā)電量提升比較將以組串型方案對比集中型方案為主。通過模擬仿真，對同一光伏陣列下接入MPPT數(shù)量、光照遮擋或組件衰減程度、失配組件分布情況等多個變量分別組合，推演多MPPT配置方案所能給光伏陣列帶來的發(fā)電量提升。
在101個組串、每個組串21塊組件、每個組件235W功率組成光伏陣列中，設定采用30KW/MPPT的組串型接入方案（即共17個MPPT接入），與500KW/MPPT的集中型方案（即1個MPPT接入）進行比較。選擇變量包括：
）正常光照強度：理論最強光照1000w/m2和最常見強度光照700w/m2分別作為參照基準；
）遮擋后的光照強度：在每種參照基準下均勻選擇四種遮擋后的光照強度；
）遮擋影響組件范圍：發(fā)生如下五種大面積光照遮擋的情況，橫坐標代表組件數(shù)，縱坐標代表組串數(shù)，灰色區(qū)域代表遮擋覆蓋區(qū)域。
通過該情景設計下的結果比較分析，在遮擋光照強度為正常光照強度一半時，組串型較集中型方案提升發(fā)電量比例最高；在所有組串均被均勻遮擋時，組串型和集中型方案發(fā)電量一樣。
將方案調(diào)整為每3個組串接入一個MPPT的主流組串型方案，進一步進行多種情景模擬發(fā)現(xiàn)：在遮擋正好整體均勻影響一半組串的每一塊組件，且光照強度為正常強度一半時，組串型較集中型的發(fā)電量提升比例達到最高極值，0.406%。
五、衰減組件隨機分布情況下組串型和集中型對比
同樣選取以上光伏陣列進行仿真模擬。101個組串、每個組串21塊組件、每個組件235W功率組成光伏陣列；假定在所有組件中，有25%的組件有10%的衰減，其他組件均無衰減，以此極端的組件衰減離散性推算組串型較集中型發(fā)電量提升比例。如圖所示，衰減組件在陣列中完全隨機分布。
仍然以每3個組串接入一個MPPT的主流組串型方案，比較所有組串接入一個MPPT的集中型方案。根據(jù)仿真計算，該組串型方案較集中型方案的發(fā)電量提升比例為0.01%。
六、實測數(shù)據(jù)對比驗證
對模擬仿真計算進行實測檢驗，進一步驗證仿真結果。
選用陽光電源組串型逆變器SG30KTL和集中型逆變器SG500MX作為測試機型，這兩款機型均為市場主流的成熟機型，市場保有量均超過10000臺，產(chǎn)品穩(wěn)定性和技術優(yōu)越性方面均為市場所推崇。
通過選擇2-3種光照遮擋情景和遮擋光照強度進行實地檢測比較，測試結果與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。
小結：在大型荒漠電站中，組件失配的主要原因是云層陰影形成的局部光照遮擋。
光照遮擋影響下，組串型較集中型發(fā)電量最多可以提升0.406%；組件衰減失配影響下，組串型較集中型發(fā)電量最多可以提升0.01%。當前組串型逆變器市場價格較集中型高70-85%。
在地勢平坦的大型荒漠光伏電站中，綜合發(fā)電量和投資成本，集中型方案較組串型方案有顯著優(yōu)勢。
